SiCer小課堂 | 碳化硅肖特基二極管在PFC電路中的應用

發表時間:2020-07-23 11:12

前   言

目前,在實現綠色能源的新技術革命中,眾多高頻開關電源已經開始實現高功率因數校正技術(特別是在通信電源中),其中采用有源功率因數校正的居多。連續導電模式Boost變換器是電源系統中應用較廣的功率因數校正變換器。

在硬開關連續導電模式Boost變換中,升壓二極管的反向恢復會引起較大的反向恢復損耗和過高的di/dt,產生嚴重的電磁干擾。在提高功率因數的同時,提高開關管及半導體管的熱穩定性,降低電磁干擾(EMI)、電壓應力及電流應力尤為重要。

當前眾多軟開關技術、無損吸收電路應用到PFC的電路上,確實達到了很好的效果,但增加的元器件使成本增加了,同時也降低了電源的可靠性。

本文提到一種新型材料——碳化硅SiC),用其制作成的肖特基勢壘二極管具有正溫度系數及反向恢復時間接近零的特點,使得PFC上的MOSFET開通損耗減少,效率得到進一步的提升,可通過制作一臺500W AC/DC電源以驗證該論點。




1、碳化硅二極管的特點




近年來,碳化硅材料在電子設備技術的應用方面有了長足的發展,碳化硅材料比通用有更突出的優點。這主要是因為碳化硅材料比通用的材料有更高的電場擊穿電壓2. 4×106V/cm、更快的電荷移動速度、更寬的能帶間隙,材料導熱能力是硅的2~3倍。
這些優點使得基于碳化硅制成的肖特基勢壘二極管表現出高的溫度特性(允許最高工作溫度達到300℃,是硅材料的2倍)、高的反向耐壓、低的導通電阻和高的開關頻率。以上特點能使電源系統中的串聯開關器件體積最小化,開關頻率的提高也使系統的體積進一步縮小。





2、 碳化硅二極管穩態和暫態特性對PFC的影響




連續模式Boost變換器的基本拓撲結構如圖1所示。它被廣泛應用于功率因數校正電路,電感電流為連續模式。在該電路中,二極管穩態和暫態特性對PFC電路影響很大。
圖1 Boost變換器

1)穩態特性——前向電壓Uf
如圖2(a)所示,材料超快恢復二極管(15A/600V)在室溫條件下測試前向電壓降。在2~5A時,正向壓降基本不變,接近飽和,從另一個側面說明材料二極管在高溫時候,正向壓降變小,二極管具有負溫度特性。
如圖2(b)所示,碳化硅肖特基二極管(4A/600V)在室溫條件下測試前向電壓降。在0~4A負載電流變化時,正向壓降基本是線性增加,從另一個側面說明碳化硅肖特基二極管在高溫時候,正向壓降線性增加,說明碳化硅二極管具有正溫度特性。
圖2 負載電流與正向壓降

在大功率PFC電路中,二極管可能需要并聯使用以擴大容量,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通電阻的特性是關鍵。碳化硅肖特基二極管所特有的正溫度系數的特性能保證器件并聯時的均流要求。
假設由于某些原因,兩個碳化硅二極管出現電流不均勻的狀態,其中一個二極管分配的電流較大,則它的導通電阻、正向壓降就相應的增大,阻礙電流的進一步增大,從而促進電流的再一次分配最后達到電流平衡狀態。由于材料的二極管具有負溫度特性,會使器件均流的問題進一步的惡化,不利于工作的穩定性。因此,碳化硅肖特基二極管適用直接器件并聯。

2)暫態特性——反向恢復電流
二極管的種類很多,但只有肖特基勢壘二極管運載電流的任務是由多數載流子完成的,沒有多余的少數載流子復合,恢復時間非常小,大概在幾十或幾百ps,缺點是其耐壓非常低。其它的二極管(如普通二極管、快速二極管、超快恢復二極管)等運載電流的任務是由少數載流子完成,存在著反向恢復時間的問題。所用的兩款超快恢復二極管,其Trr的時間分別為30ns和13ns,但也不能避免這個反向電流的問題。
碳化硅肖特基二極管由于材料的特性,它同時具有了兩者的優點,不但耐壓非常高,而且反向恢復特性和溫度特性都非常好。而材料整流管的反向電流及反向恢復時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時間及反向電流都非常小,并且有非常好的溫度特性,其反向恢復時間不會隨著溫度升高而變化。
如圖3所示,在室溫25℃時,超快恢復二極管反向恢復時間是碳化硅肖特基二極管反向時間的3倍,反向電流是碳化硅肖特基二極管的4倍。在高溫150℃時,超快恢復二極管反向恢復時間是碳化硅肖特基二極管反向時間的6倍,反向電流是碳化硅肖特基二極管的12 倍。
圖3 碳化硅二極管與超快恢復二極管反向恢復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的反向恢復時間越短越好。因反向恢復電流會給我們帶來很多問題,如二極管反向恢復損耗,及由此引發的嚴重MOSFET開通損耗等。不少軟開關或無損吸收技術應用到PFC電路中,如圖4是一個典型的無損吸收的應用,目的也是為了克服二極管的反向恢復時間所帶來的問題。它可實現主開關管接近零電流開通、零電壓關斷,同時升壓二極管為零電流關斷,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,甚至達到二極管的額定電壓,同時所用的元器件比較多,增加了成本, 也降低了系統的可靠性。
圖4 PFC無損吸收電路

為了驗證碳化硅肖特基二極管能給PFC電路帶來新的改良,我們制作了500W的AC/DC電源,并與超快恢復二極管(DSEP15-06A)做比較。圖4所示電路參數如下:

輸出:535W(53.5V/10A);

輸入:90VAC;

Q1:IRF460A(500V/22A);

D1:650V/4A碳化硅肖特基二極管/DSEP15-06A;

L1:400μH;

C0:440μF/450V;

頻率f:70 kHz。

在室溫25℃,滿載情況下,分別用超快恢復二極管和碳化硅肖特基二極管作為D1進行比較。超快恢復二極管在室溫25℃時的反向恢復特性如圖5所示,前向電流IF為7.5A,反向電流最大為6.5A,反向恢復時間為40ns,二極管的反向恢復電壓最高達到460V,并且經過5個震蕩后才穩定。
碳化硅肖特基二極管時的反向恢復特性如圖6所示,前向電流相同,反向電流最大為0.7A(比超快恢復二極管減少89%),反向恢復時間在12ns(減少70%),二極管反向恢復電壓為380V (減少18%),而且沒有了后面的震蕩,關斷損耗也相應減小。
圖5 超快恢復二極管關斷電流,電壓波形
圖6 碳化硅二極管關斷電流,電壓波形

二極管關斷時存在反向恢復時間問題,造成的MOSFET在該區間開通時的開通電流加大。二極管的反向勢壘電容越大,MOSFET的開通峰值電流也越大。
用超快恢復二極管時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,碳化硅的前向電壓在額定電流值時是2.00 V,高于超快恢復二極管的前向電壓(1.30 V)。因此,碳化硅的導通損耗是比超快恢復二極管的導通損耗高,但導通損耗在整個電源損耗中只占小部分,關鍵還是要減少半導體器件的開關損耗。用碳化硅肖特基二極管導致MOSFET的開通損耗減少的效果尤為明顯。
在90V交流輸入測試時,整機效率從85%上升到86%,損耗降低了約6W:220V交流輸入時,整機效率在90%以上。從而散熱片可以適當的減少,頻率可以適當的提高,從而節約成本。





3、總 結




在電源PFC電路中使用碳化硅肖特基二極管有很多好處。首先電源效率得到了顯著提高,在其他條件不變時,只需更換二極管就能減小損耗;同時,由于不再需要考慮軟開關或無損吸收技術,電源的開發周期進一步縮短,元件數量減少,電路結構也進一步簡化;更重要的是它減小了對周圍電路的電磁干擾,提高了電源的可靠性,使產品具有更強的競爭力。


(本文轉載自電力電子技術與應用微信公眾號)




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