碳化硅肖特基二极管在PFC电路中的应用

前言

  目前，在实现“绿色能源”的新技术革命中，众多高频开关电源已经开始实现高功率因数校正技术(特别是在通信电源中)，采用有源功率因数校正的居多。连续导电模式Boost变换器是电源系统中应用较广的功率因数校正变换器。在硬开关连续导电模式Boost变换中，升压二极管的反向恢复会引起较大的反向恢复损耗和过高的di/dt，产生严重的电磁干扰。在提高功率因数的同时，提高开关管及半导体管的热稳定性，降低电磁干扰( EMI)、电压应力及电流应力尤为重要。目前，众多软开关技术、无损吸收电路应用到PFC的电路上，确实达到了很好的效果，但增加的元器件使成本增加了，同时也降低了电源的可靠性。
  本文提到一种新型材料——SiC(碳化硅)，用其制作成的肖特基势垒二极管具有正温度系数及反向恢复时间接近零的特点，使得PFC上的MOSFET开通损耗减少，效率得到进一步的提升。通过制作一台500W AC/DC电源以验证该论点。
 
  1. SiC二极管的特点
  近年来，SiC材料应用于电子设备技术有了长足的发展，SiC材料比通用Si有更突出的优点。这主要是因为SiC材料比通用的材料有更高的电场击穿电压2. 4×10⁶V/cm、更快的电荷移动速度、更宽的能带间隙，材料导热能力是Si的2～3倍。这些优点使得基于SiC制成的肖特基势垒二极管表现出高的温度特性(允许最高工作温度达到300℃，是Si材料的2倍) 、高的反向耐压、低的导通电阻和高的开关频率。以上特点能使电源系统中的串联开关器件体积最小化，开关频率的提高也使系统的体积进一步缩小。
 
  2. SiC二极管稳态和暂态特性对PFC的影响
  连续模式Boost变换器的基本拓扑结构如图1所示。它被广泛应用于功率因数校正电路，电感电流为连续模式。在该电路中，二极管稳态和暂态特性对PFC电路影响很大，在这里重点讨论。

图1 Boost变换器

  (1)稳态特性——前向电压Uf
  如图2(a)所示Si材料超快恢复二极管(DSEP1506A:15A，600V)在室温条件下测试前向电压降。在2～5A时，正向压降基本不变，接近饱和，从另一个侧面说明Si材料二极管在高温时候，正向压降变小，二极管具有负温度特性。
  如图2(b)所示碳化硅肖特基二极管(CSD04060:4A/600V) 在室温条件下测试前向电压降。在0～4A负载电流变化时，正向压降基本是线性增加，从另一个侧面说明碳化硅肖特基二极管在高温时候，正向压降线性增加，说明SiC二极管具有正温度特性。

图2 负载电流与正向压降

  在大功率PFC电路中，二极管可能需要并联使用以扩大容量，器件的电流均匀分配问题需要考虑，二极管的前向电压和导通电阻的特性是关键。碳化硅肖特基二极管所特有的正温度系数的特性能保证器件并联时的均流要求。假设由于某些原因，两个SiC二极管出现电流不均匀的状态，其中一个二极管分配的电流较大，则它的导通电阻、正向压降就相应的增大，阻碍电流的进一步增大，从而促进电流的再一次分配最后达到电流平衡状态。由于Si材料的二极管具有负温度特性，使得在器件均流的问题上进一步的恶化，不利于工作的稳定性。因此，碳化硅肖特基二极管适用直接器件并联。
  (2)暂态特性——反向恢复电流
  二极管的种类很多，但只有肖特基势垒二极管运载电流的任务是由多数载流子完成的，没有多余的少数载流子复合，恢复时间非常小，大概在几十或几百ps，缺点是其耐压非常低。其它的Si二极管(如普通二极管、快速二极管、超快恢复二极管)等运载电流的任务是由少数载流子完成，存在着反向恢复时间的问题。所用的两款超快恢复二极管，其Trr的时间分别为30ns和13ns，但也不能避免这个反向电流的问题。
  碳化硅肖特基二极管由于材料的特性，它同时具有了两者的优点，不但耐压非常高，而且反向恢复特性和温度特性都非常好。而Si材料整流管的反向电流及反向恢复时间会随温度的升高而增大。碳化硅肖特基二极管的反向恢复时间及反向电流都非常小，并且有非常好的温度特性，其反向恢复时间不会随着温度升高而变化。
　　如图3所示，在室温25℃时，超快恢复二极管反向恢复时间是碳化硅肖特基二极管反向时间的3倍，反向电流是碳化硅肖特基二极管的4倍。在高温150℃时，超快恢复二极管反向恢复时间是碳化硅肖特基二极管反向时间的6倍，反向电流是碳化硅肖特基二极管的12 倍。

图3 SiC二极管与超快恢复二极管反向恢复特性在不同温度下的比较

　一般来说，我们都希望在单相PFC电路中的二极管D₁的反向恢复时间越短越好。反向恢复电流会给我们带来很多问题，如二极管反向恢复损耗，及由此引发的严重MOSFET开通损耗等。不少软开关或无损吸收技术应用到PFC电路中，如图4是一个典型的无损吸收的应用，目的也是为了克服二极管的反向恢复时间所带来的问题。它可实现主开关管接近零电流开通、零电压关断，同时升压二极管为零电流关断，提高了PFC的效率。但这种电路中，二极管的谐振电压会比较高，甚至达到二极管的额定电压，同时所用的元器件比较多，增加了成本， 也降低了系统的可靠性。

图4 PFC无损吸收电路

　为了验证碳化硅肖特基二极管能给PFC电路带来新的改良，制作了500W的AC/DC电源，并与超快恢复二极管(DSEP15-06A)做比较。图4所示电路参数如下: 输出为535W(53.5V/10A)；输入90VAC；Q₁: IRF460A(500V/22A) ；D1: CSD04060或DSEP15-06A；L₁:400μH；C₀:440μF/450V；频率f:70 kHz。
　在室温25℃，满载情况下，分别用超快恢复二极管和碳化硅肖特基二极管作为D₁进行比较。超快恢复二极管在室温25℃时的反向恢复特性如图5所示，前向电流IF为7.5A，反向电流最大为6.5A，反向恢复时间为40ns，二极管的反向恢复电压最高达到460V，并且经过5个震荡后才稳定。碳化硅肖特基二极管时的反向恢复特性如图6所示，前向电流相同，反向电流最大为0.7A(比超快恢复二极管减少89%) ，反向恢复时间在12ns(减少70%) ，二极管反向恢复电压为380V (减少18 %) ，而且没有了后面的震荡，关断损耗也相应减小。

                                                                                                        图5 超快恢复二极管关断电流，电压波形

                                                                                                      图6 SiC二极管关断电流，电压波形

  二极管关断时存在反向恢复时间问题，造成的MOSFET在该区间开通时的开通电流加大。二极管的反向势垒电容越大，MOSFET的开通峰值电流也越大。
  用超快恢复二极管时MOSFET开通电流和电压波形如图7(b)所示，MOSFET开通电流的峰值高至11.4 A。用碳化硅肖特基二极管时MOSFET的开通的电流、电压和开通损耗波形如图7(a)所示，MOSFET开通电流的峰值只有6.5A。后者的开通损耗(面积)比前者开通损耗(面积)减少近2/3。

                                                                                                             图7 满载，MOSFET开通波形

　通过上述分析，SiC的前向电压在额定电流值时是2.00 V， 高于超快恢复二极管的前向电压(1.30 V)。因此，SiC的导通损耗是比超快恢复二极管的导通损耗高，但导通损耗在整个电源损耗中只占小部分，关键还是要减少半导体器件的开关损耗。用碳化硅肖特基二极管导致MOSFET的开通损耗减少的效果尤为明显。
　在90V交流输入测试时，整机效率从85%上升到86%，有接近6W的损耗减少了; 220V交流输入时，整机效率在90%以上。从而散热片可以适当的减少，频率可以适当的提高，从而节约成本。
 
  3. 总结
  在电源PFC电路中使用碳化硅肖特基二极管会带给我们很多好处。电源效率得到了提高是显而易见的，在其他条件不变时，只需更换二极管就能减小损耗;由于不再需要考虑软开关或无损吸收技术，缩短了电源的开发周期、减少了元件数量、简化了电路结构;更为重要的是它减小了对周围电路的电磁干扰，提高了电源的可靠性，使我们的产品具有更高的竞争力。

来源：电力电子技术与应用