碳化硅肖特基二極管在開關(guān)電源中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

為了設(shè)計(jì)效率和外形尺寸最優(yōu)的開關(guān)電源電路，二極管必須具備以下一些特性：反向恢復(fù)和正向恢復(fù)時(shí)間短；最小的儲(chǔ)存電荷Qrr；低漏電流和開關(guān)損耗。過壓和浪涌電流能力非常重要，它們能夠用來處理PFC中由啟動(dòng)和交流回落引起的浪涌和過電流。這些特性只有用碳化硅肖特基二極管才能實(shí)現(xiàn)。

與采用Si或GaAS技術(shù)的傳統(tǒng)功率二極管相比，碳化硅肖特基二極管（SiC-SBD）可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率，同時(shí)可帶來比采用Si技術(shù)的肖特基二極管高得多的操作電壓范圍。利用碳化硅肖特基二極管，可在如PC、服務(wù)器以及移動(dòng)電話基站等系統(tǒng)里采用可靠、緊湊并且開關(guān)頻率高的開關(guān)模式電源(SMPS)。碳化硅肖特基二極管中缺少正向和反向恢復(fù)電荷，因此可以用更小的MOSFET來降低成本，器件溫度也會(huì)降低，SMPS也可以得到更高的可靠性。由于開關(guān)損耗低，因此這些二極管可在高開關(guān)頻率下操作，而無需復(fù)雜的共振式開關(guān)電路或緩沖器。低開關(guān)損耗同樣使SMPS無需使用散熱片和風(fēng)扇。由于碳化硅肖特基二極管的開關(guān)行為獨(dú)立于正向電流、開關(guān)速度（di/dt）和溫度，因此這種二極管在設(shè)計(jì)中得到了廣泛的使用。在設(shè)計(jì)中采用SiC肖特基二極管能夠?qū)崿F(xiàn)最大的開關(guān)工作頻率（最高可達(dá)1MHz），從而可以使用更小體積的無源器件。

下面以碳化硅肖特基二極管在開關(guān)電源中的應(yīng)用(并聯(lián))為例來說明碳化硅肖特基二極管的優(yōu)良特性。

1.碳化硅肖特基二極管實(shí)驗(yàn)?zāi)K

碳化硅肖特基二極管實(shí)驗(yàn)的電路模型如圖1所示。它包括8個(gè)碳化硅肖特基二級(jí)管，這些二極管安裝在以Au-Si作為焊劑的銅負(fù)電極和以鋁作為等電位連接線的銅正電極及陶瓷襯底(AIN)上，碳化硅肖特基二極管和AIN之間使用了硅橡膠進(jìn)行絕緣。在實(shí)驗(yàn)中這8個(gè)二極管的固有參數(shù)不完全相同。

圖1 碳化硅肖特基二極管實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電路模型

2.并聯(lián)連接實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)碳化硅肖特基二極管而言,并聯(lián)分流沒有問題,且碳化硅肖特基二極管幾乎沒有開關(guān)損耗,因此只考慮直流電流。在最壞的考慮下模擬碳化硅肖特基二極管并聯(lián)二極管諧振的情況。暫態(tài)分析的模型如圖2。

圖2 最壞情況下雙脈沖開關(guān)分析模型

因?yàn)樵谔蓟栊ぬ鼗O管模塊中各個(gè)二極管的電流并不能直接測(cè)量出來，為了驗(yàn)證直流電流各個(gè)二極管的分流情況,所以改測(cè)碳化硅肖特基二極管模塊各個(gè)二極管的表面溫度。并聯(lián)芯片之間的諧振也需要驗(yàn)證，同樣，二極管的電流和電壓無法測(cè)量，所以測(cè)量模塊的電壓和電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各個(gè)二極管的節(jié)溫上升的差別很小，如表1 所示。使用碳化硅肖特基二極管后使整個(gè)開關(guān)系統(tǒng)的損耗大大降低；同時(shí)，即使電路中分流不均勻，有諧振都不會(huì)造成非常大的影響。

表1 正向電壓和碳化硅肖特基二極管的結(jié)溫

3.結(jié)語

對(duì)電力電子器件而言，SiC材料的優(yōu)勢(shì)并不僅僅在于提高器件的耐壓能力。SiC電力電子器件要真正進(jìn)入市場(chǎng)與硅器件競(jìng)爭(zhēng)，更重要的一點(diǎn)是因?yàn)樗诖蠓冉档凸β氏姆矫婢哂芯薮蟮臐摿?。已上市的碳化硅肖特基?shì)壘二極管和仍在實(shí)驗(yàn)中的其他碳化硅功率器件都證實(shí)了這一點(diǎn)。碳化硅作為制造電力電子器件的一種新材料，它的節(jié)能優(yōu)勢(shì)迅速的在電力電子技術(shù)上得到了充分的發(fā)揮。SSiC與Si在電力電子技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的另一優(yōu)勢(shì)是能夠兼顧器件的功率和頻率以及耐高溫。這些正好都是電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)器件提出的基本要求，而Si和GaAs在這些方面都有很大的局限性。

本文來源于:電子產(chǎn)品世界論壇從小就是電子迷