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A menudo, la principal fuente de pérdida en una fuente de alimentación conmutada asíncrona son las no idealidades de los diodos. Una forma de solucionar este problema es utilizar una fuente de alimentación de modo conmutado asíncrono (SMPS), donde el diodo se reemplaza con un interruptor MOSFET controlado. Este método ciertamente aumenta la eficiencia; sin embargo, se produce a expensas de un mayor circuito y la necesidad de un control preciso.

Convertidores impulso síncronos frente a asíncronos. Imagen utilizada por cortesía de Cadence

Por otro lado, se pueden crear SMPS asíncronos eficientes mejorando continuamente las características de nuestros diodos no ideales. Este enfoque es lo que está tomando Nexperia.
Esta semana, Nexperia lanzó nuevos diodos rectificadores Schottky de trinchera, cuyo objetivo es aumentar significativamente la eficiencia en SMPS asíncronos. Antes de sumergirse en la nueva innovación de Nexperia, es necesario profundizar en los diodos, más específicamente en los diodos Schottky.

No idealidades del diodo

Cuando los ingenieros aprenden por primera vez sobre los diodos, casi siempre aprenden sobre ellos como dispositivos perfectamente ideales sin caída directa o corriente de fuga. Ciertamente no escuchan sobre el tiempo de recuperación inverso (TRR). Desafortunadamente, el mundo real no es ideal y estas características de rendimiento limitan la eficiencia de los diodos, particularmente en aplicaciones de conmutación de alta frecuencia como SMPS.

Representación gráfica del tiempo de recuperación inverso. Imagen utilizada por cortesía de ROHM Semiconductor

Una fuente de pérdida para un diodo es su caída directa, que varía entre los tipos de dispositivos y representa una pérdida no deseada en el sistema. Además, los diodos tienden a exhibir corrientes de fuga no ideales, que sirven como fuente de ineficiencia.
Otra fuente de pérdida de diodos en aplicaciones SMPS son las pérdidas de conmutación. Los diodos reales no pueden pasar instantáneamente de polarización directa a polarización inversa; hay tiempos de recuperación hacia adelante y hacia atrás que retrasan este proceso. Este estado de transición no ideal da como resultado una superposición de voltaje y corriente durante los tiempos de recuperación que pueden dominar las pérdidas si no se controlan cuidadosamente.
Con esto en mente, ¿cómo influyen exactamente los diodos Schottky de trinchera en esta conversación?

¿Qué es un diodo Schottky de trinchera?

Idealmente, los diodos rectificadores deberían exhibir una baja caída de voltaje directo, alto voltaje de bloqueo inverso, corriente de fuga insignificante y baja capacitancia parásita. Desafortunadamente, estos a menudo vienen con compensaciones, lo que dificulta lograr un diodo que exhiba todas las características.

Diodos Schottky planares (izquierda) vs trinchera (derecha). Imagen utilizada por cortesía de Nexperia

Un diodo Schottky de trinchera es un dispositivo que intenta agotar la región de deriva del dispositivo en la dirección inversa y aplanar el perfil del campo eléctrico a lo largo de la región de deriva. Este proceso se realiza grabando zanjas en el silicio y llenándolas con polisilicio, creando así una "zanja" en el dispositivo.

Comportamiento de recuperación inversa de diodos de zanja frente a diodos Schottky planos. Imagen utilizada por cortesía de Nexperia

El resultado de esta configuración es un dispositivo con un buen equilibrio entre el voltaje de bloqueo inverso y la corriente de fuga. Otro beneficio es que su alta densidad de corriente da como resultado una capacitancia de unión efectiva más pequeña. Este beneficio significa que los dispositivos de zanja exhiben menores cargas almacenadas (Qrr), lo que resulta en menores tiempos de recuperación inversa y, en última instancia, menores pérdidas de conmutación.

Nuevos dispositivos de Nexperia

Esta semana, Nexperia lanzó sus dispositivos PMEGxxxTx, un nuevo grupo de su familia de diodos de trinchera destinados a SMPS asíncronos.
Según sus hojas de datos, estos nuevos diodos tienen especificaciones impresionantes, con una caída de voltaje directo de alrededor de 600 mV, corrientes de fuga alrededor de 1 µA y un tiempo de recuperación inversa de 17 ns. La compañía afirma que estas especificaciones son el resultado de la configuración de la zanja, que permite una carga de recuperación inversa baja y, por lo tanto, tiempos de recuperación inversa más rápidos.
La compañía ve que estos dispositivos encuentran hogares en aplicaciones que requieren alta potencia y conmutación de alta frecuencia como la automoción, y específicamente la iluminación LED. Esta familia ahora ofrece dispositivos que van desde 40 V a 100 V y hasta 15 A en volumen de producción, con dispositivos de 20 A disponibles para muestreo.
Este avance en diodos más eficientes, especialmente para aplicaciones automotrices, llega justo a tiempo con el enfoque EV global. Con la eficiencia como un objetivo principal, seguramente vendrán más innovaciones.