碳化硅肖特基二极管在自动化装置中的应用

碳化硅肖特基功率二极管经过10~15年的研究，已经成功从实验室走向商业化应用。当前德国Infineon，美国Cree、Semisouth，日本三菱等公司都提供相应的器件，在高性能的国防、工业自动化、汽车电子领域等得到了广泛的应用。由于其具有耐压高、开关速度高、通态电阻低、耐高温及良好的反向恢复特性等优点，碳化硅肖特基功率二极管特别适合应用于光伏最大功率跟踪电路，作为Boost电路的快恢复二极管，它能显著提高开关频率，减小电感、电容等无源元件的大小与尺寸，减小装置成本，提高装置的效率。
 
  1. 碳化硅器件的典型应用
  碳化硅二极管由于反向储存电荷比较少，其优点包括极快的开关速度、极宽温度范围中良好的恢复特性、正向压降有正温度系数易于并联等。这使得碳化硅二极管特别适用于高频应用，如光伏最大功率跟踪变换器中的快恢复二极管，桥式功率模块中的续流二极管等。
 
  2. 最大功率跟踪变换器应用
  如图1所示，碳化硅二极管适宜用于光伏最大功率跟踪主电路或功率因数校正主电路作为快恢复二极管。

 

  设IDav为二极管电流平均值，I_Drms为二极管电流有效值，M 为占空比，θ为正弦相位角，二极管的导通损耗PC为：

 

  取1200V/25A的硅快恢复二极管与碳化硅二极管在图1中50%的占空比相比较。因为在结温125℃，直流电压为600V时，每个周期的关断损耗硅二极管为0.2mJ，而碳化硅二极管为0.04mJ。所以达到器件壳温80℃时，硅二极管只能工作于20kHz，而碳化硅二极管可以工作于200 kHz。可以看出，碳化硅肖特基二极管工作于光伏最大功率跟踪主电路或功率因数校正主电路时，能显著提高电路工作频率，进而减小电感、电容等储能元件的大小与尺寸，对减小体积与节省成本有较大作用。
 
  3. 桥式功率模块应用
  由于开关速度快，损耗小，耐高温，罗克韦尔自动化等跨国公司研究在其传动产品中使用碳化硅二极管代替硅二极管的桥式功率模块，电路如图2所示。损耗对比如图3所示。

图3 桥式模块中的应用

图4 模块中硅与碳化硅二极管的损耗对比、

  采用碳化硅二极管后，基本能消除二极管的反向恢复损耗。同时把二极管的反向恢复时间从数百纳秒减少到数十纳秒，从而减少死区与失真，还能显著减少IGBT的开通能耗50%左右。无反向恢复电流同时使得开关的EMI减小，能提高装置效率，减小滤波器的体积，减小散热的需求。