【導(dǎo)讀】目前，在實(shí)現(xiàn)“綠色能源”的新技術(shù)革命中，眾多高頻開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)開(kāi)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），其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(kāi)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(huì)引起較大的反向恢復(fù)損耗和過(guò)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(kāi)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。
當(dāng)前眾多軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、無(wú)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——碳化硅（SiC），用其制作成的肖特基勢(shì)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(kāi)通損耗減少，效率得到進(jìn)一步的提升，可通過(guò)制作一臺(tái)500W AC/DC電源以驗(yàn)證該論點(diǎn)。
1、碳化硅二極管的特點(diǎn)
近年來(lái)，碳化硅材料在電子設(shè)備技術(shù)的應(yīng)用方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展，碳化硅材料比通用硅有更突出的優(yōu)點(diǎn)。這主要是因?yàn)樘蓟璨牧媳韧ㄓ玫牟牧嫌懈叩碾妶?chǎng)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)熱能力是硅的2～3倍。
這些優(yōu)點(diǎn)使得基于碳化硅制成的肖特基勢(shì)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℃，是硅材料的2倍）、高的反向耐壓、低的導(dǎo)通電阻和高的開(kāi)關(guān)頻率。以上特點(diǎn)能使電源系統(tǒng)中的串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件體積最小化，開(kāi)關(guān)頻率的提高也使系統(tǒng)的體積進(jìn)一步縮小。
2、 碳化硅二極管穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性對(duì)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(duì)PFC電路影響很大。
圖1 Boost變換器
1）穩(wěn)態(tài)特性——前向電壓Uf
如圖2（a）所示，硅材料超快恢復(fù)二極管（15A/600V）在室溫條件下測(cè)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(shuō)明硅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（4A/600V）在室溫條件下測(cè)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(shuō)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(shuō)明碳化硅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(wèn)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)碳化硅二極管出現(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)。由于硅材料的二極管具有負(fù)溫度特性，會(huì)使器件均流的問(wèn)題進(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(lèi)很多，但只有肖特基勢(shì)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(méi)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。其它的硅二極管（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(wèn)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(wèn)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。而硅材料整流管的反向電流及反向恢復(fù)時(shí)間會(huì)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(huì)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 碳化硅二極管與超快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)特性在不同溫度下的比較
一般來(lái)說(shuō)，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。因反向恢復(fù)電流會(huì)給我們帶來(lái)很多問(wèn)題，如二極管反向恢復(fù)損耗，及由此引發(fā)的嚴(yán)重MOSFET開(kāi)通損耗等。不少軟開(kāi)關(guān)或無(wú)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(wú)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(lái)的問(wèn)題。它可實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管接近零電流開(kāi)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(huì)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(wú)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(lái)新的改良，我們制作了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：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(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(guò)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(méi)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 碳化硅二極管關(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(wèn)題，造成的MOSFET在該區(qū)間開(kāi)通時(shí)的開(kāi)通電流加大。二極管的反向勢(shì)壘電容越大，MOSFET的開(kāi)通峰值電流也越大。
用超快恢復(fù)二極管時(shí)MOSFET開(kāi)通電流和電壓波形如圖7（b）所示，MOSFET開(kāi)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(kāi)通的電流、電壓和開(kāi)通損耗波形如圖7（a）所示，MOSFET開(kāi)通電流的峰值只有6.5A。后者的開(kāi)通損耗（面積）比前者開(kāi)通損耗（面積）減少近2/3。
圖7 滿載，MOSFET開(kāi)通波形
通過(guò)上述分析，碳化硅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，碳化硅的導(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(kāi)關(guān)損耗。用碳化硅肖特基二極管導(dǎo)致MOSFET的開(kāi)通損耗減少的效果尤為明顯。
在90V交流輸入測(cè)試時(shí)，整機(jī)效率從85%上升到86%，損耗降低了約6W：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?，從而?jié)約成本。
3、總 結(jié)
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(shí)，只需更換二極管就能減小損耗；同時(shí)，由于不再需要考慮軟開(kāi)關(guān)或無(wú)損吸收技術(shù)，電源的開(kāi)發(fā)周期進(jìn)一步縮短，元件數(shù)量減少，電路結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步簡(jiǎn)化；更重要的是它減小了對(duì)周?chē)娐返碾姶鸥蓴_，提高了電源的可靠性，使產(chǎn)品具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
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