碳化硅肖特基二極管在PFC電路中的應(yīng)用

前言

目前，在實(shí)現(xiàn)“綠色能源”的新技術(shù)革命中，眾多高頻開關(guān)電源已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正技術(shù)(特別是在通信電源中)，采用有源功率因數(shù)校正的居多。連續(xù)導(dǎo)電模式Boost變換器是電源系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的功率因數(shù)校正變換器。在硬開關(guān)連續(xù)導(dǎo)電模式Boost變換中，升壓二極管的反向恢復(fù)會引起較大的反向恢復(fù)損耗和過高的di/dt，產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。在提高功率因數(shù)的同時(shí)，提高開關(guān)管及半導(dǎo)體管的熱穩(wěn)定性，降低電磁干擾( EMI)、電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力尤為重要。目前，眾多軟開關(guān)技術(shù)、無損吸收電路應(yīng)用到PFC的電路上，確實(shí)達(dá)到了很好的效果，但增加的元器件使成本增加了，同時(shí)也降低了電源的可靠性。
本文提到一種新型材料——SiC(碳化硅)，用其制作成的肖特基勢壘二極管具有正溫度系數(shù)及反向恢復(fù)時(shí)間接近零的特點(diǎn)，使得PFC上的MOSFET開通損耗減少，效率得到進(jìn)一步的提升。通過制作一臺500W AC/DC電源以驗(yàn)證該論點(diǎn)。

1. SiC二極管的特點(diǎn)

近年來，SiC材料應(yīng)用于電子設(shè)備技術(shù)有了長足的發(fā)展，SiC材料比通用Si有更突出的優(yōu)點(diǎn)。這主要是因?yàn)镾iC材料比通用的材料有更高的電場擊穿電壓2. 4×106V/cm、更快的電荷移動(dòng)速度、更寬的能帶間隙，材料導(dǎo)熱能力是Si的2～3倍。這些優(yōu)點(diǎn)使得基于SiC制成的肖特基勢壘二極管表現(xiàn)出高的溫度特性(允許最高工作溫度達(dá)到300℃，是Si材料的2倍) 、高的反向耐壓、低的導(dǎo)通電阻和高的開關(guān)頻率。以上特點(diǎn)能使電源系統(tǒng)中的串聯(lián)開關(guān)器件體積最小化，開關(guān)頻率的提高也使系統(tǒng)的體積進(jìn)一步縮小。

2. SiC二極管穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性對PFC的影響

連續(xù)模式Boost變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它被廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正電路，電感電流為連續(xù)模式。在該電路中，二極管穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性對PFC電路影響很大，在這里重點(diǎn)討論。

圖1 Boost變換器

（1）穩(wěn)態(tài)特性——前向電壓Uf

如圖2(a)所示Si材料超快恢復(fù)二極管(DSEP1506A:15A，600V)在室溫條件下測試前向電壓降。在2～5A時(shí)，正向壓降基本不變，接近飽和，從另一個(gè)側(cè)面說明Si材料二極管在高溫時(shí)候，正向壓降變小，二極管具有負(fù)溫度特性。

如圖2(b)所示碳化硅肖特基二極管(CSD04060:4A/600V) 在室溫條件下測試前向電壓降。在0～4A負(fù)載電流變化時(shí)，正向壓降基本是線

性增加，從另一個(gè)側(cè)面說明碳化硅肖特基二極管在高溫時(shí)候，正向壓降線性增加，說明SiC二極管具有正溫度特性。

圖2 負(fù)載電流與正向壓降

在大功率PFC電路中，二極管可能需要并聯(lián)使用以擴(kuò)大容量，器件的電流均勻分配問題需要考慮，二極管的前向電壓和導(dǎo)通電阻的特性是關(guān)鍵。碳化硅肖特基二極管所特有的正溫度系數(shù)的特性能保證器件并聯(lián)時(shí)的均流要求。假設(shè)由于某些原因，兩個(gè)SiC二極管出現(xiàn)電流不均勻的狀態(tài)，其中一個(gè)二極管分配的電流較大，則它的導(dǎo)通電阻、正向壓降就相應(yīng)的增大，阻礙電流的進(jìn)一步增大，從而促進(jìn)電流的再一次分配最后達(dá)到電流平衡狀態(tài)。由于Si材料的二極管具有負(fù)溫度特性，使得在器件均流的問題上進(jìn)一步的惡化，不利于工作的穩(wěn)定性。因此，碳化硅肖特基二極管適用直接器件并聯(lián)。

(2)暫態(tài)特性——反向恢復(fù)電流

二極管的種類很多，但只有肖特基勢壘二極管運(yùn)載電流的任務(wù)是由多數(shù)載流子完成的，沒有多余的少數(shù)載流子復(fù)合，恢復(fù)時(shí)間非常小，大概在幾十或幾百ps，缺點(diǎn)是其耐壓非常低。其它的Si二極管(如普通二極管、快速二極管、超快恢復(fù)二極管)等運(yùn)載電流的任務(wù)是由少數(shù)載流子完成，存在著反向恢復(fù)時(shí)間的問題。所用的兩款超快恢復(fù)二極管，其Trr的時(shí)間分別為30ns和13ns，但也不能避免這個(gè)反向電流的問題。
碳化硅肖特基二極管由于材料的特性，它同時(shí)具有了兩者的優(yōu)點(diǎn)，不但耐壓非常高，而且反向恢復(fù)特性和溫度特性都非常好。而Si材料整流管的反向電流及反向恢復(fù)時(shí)間會隨溫度的升高而增大。碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間及反向電流都非常小，并且有非常好的溫度特性，其反向恢復(fù)時(shí)間不會隨著溫度升高而變化。

如圖3所示，在室溫25℃時(shí)，超快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間是碳化硅肖特基二極管反向時(shí)間的3倍，反向電流是碳化硅肖特基二極管的4倍。在高溫150℃時(shí)，超快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間是碳化硅肖特基二極管反向時(shí)間的6倍，反向電流是碳化硅肖特基二極管的12 倍。

圖3 SiC二極管與超快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)特性在不同溫度下的比較

一般來說，我們都希望在單相PFC電路中的二極管D1的反向恢復(fù)時(shí)間越短越好。反向恢復(fù)電流會給我們帶來很多問題，如二極管反向恢復(fù)損耗，及由此引發(fā)的嚴(yán)重MOSFET開通損耗等。不少軟開關(guān)或無損吸收技術(shù)應(yīng)用到PFC電路中，如圖4是一個(gè)典型的無損吸收的應(yīng)用，目的也是為了克服二極管的反向恢復(fù)時(shí)間所帶來的問題。它可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管接近零電流開通、零電壓關(guān)斷，同時(shí)升壓二極管為零電流關(guān)斷，提高了PFC的效率。但這種電路中，二極管的諧振電壓會比較高，甚至達(dá)到二極管的額定電壓，同時(shí)所用的元器件比較多，增加了成本，也降低了系統(tǒng)的可靠性。

圖4 PFC無損吸收電路

為了驗(yàn)證碳化硅肖特基二極管能給PFC電路帶來新的改良，制作了500W的AC/DC電源，并與超快恢復(fù)二極管(DSEP15-06A)做比較。圖4所示電路參數(shù)如下: 輸出為535W(53.5V/10A)；輸入90VAC；Q1: IRF460A(500V/22A) ；D1: CSD04060或DSEP15-06A；L1:400μH；C0:440μF/450V；頻率f:70 kHz。

在室溫25℃，滿載情況下，分別用超快恢復(fù)二極管和碳化硅肖特基二極管作為D1進(jìn)行比較。超快恢復(fù)二極管在室溫25℃時(shí)的反向恢復(fù)特性如圖5所示，前向電流IF為7.5A，反向電流最大為6.5A，反向恢復(fù)時(shí)間為40ns，二極管的反向恢復(fù)電壓最高達(dá)到460V，并且經(jīng)過5個(gè)震蕩后才穩(wěn)定。碳化硅肖特基二極管時(shí)的反向恢復(fù)特性如圖6所示，前向電流相同，反向電流最大為0.7A(比超快恢復(fù)二極管減少89%) ，反向恢復(fù)時(shí)間在12ns(減少70%) ，二極管反向恢復(fù)電壓為380V (減少18 %) ，而且沒有了后面的震蕩，關(guān)斷損耗也相應(yīng)減小。

圖5 超快恢復(fù)二極管關(guān)斷電流，電壓波形

圖6 SiC二極管關(guān)斷電流，電壓波形

二極管關(guān)斷時(shí)存在反向恢復(fù)時(shí)間問題，造成的MOSFET在該區(qū)間開通時(shí)的開通電流加大。二極管的反向勢壘電容越大，MOSFET的開通峰值電流也越大。
用超快恢復(fù)二極管時(shí)MOSFET開通電流和電壓波形如圖7(b)所示，MOSFET開通電流的峰值高至11.4 A。用碳化硅肖特基二極管時(shí)MOSFET的開通的電流、電壓和開通損耗波形如圖7(a)所示，MOSFET開通電流的峰值只有6.5A。后者的開通損耗(面積)比前者開通損耗(面積)減少近2/3。

圖7 滿載，MOSFET開通波形

通過上述分析，SiC的前向電壓在額定電流值時(shí)是2.00 V，高于超快恢復(fù)二極管的前向電壓(1.30 V)。因此，SiC的導(dǎo)通損耗是比超快恢復(fù)二極管的導(dǎo)通損耗高，但導(dǎo)通損耗在整個(gè)電源損耗中只占小部分，關(guān)鍵還是要減少半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗。用碳化硅肖特基二極管導(dǎo)致MOSFET的開通損耗減少的效果尤為明顯。
　在90V交流輸入測試時(shí)，整機(jī)效率從85%上升到86%，有接近6W的損耗減少了; 220V交流輸入時(shí)，整機(jī)效率在90%以上。從而散熱片可以適當(dāng)?shù)臏p少，頻率可以適當(dāng)?shù)奶岣撸瑥亩?jié)約成本。

本文來源：電力電子技術(shù)與應(yīng)用微信公眾號