表1 SiC器件研究概表
图1 单相 BOOST功率因数校正电路
由于开关频率很高,CCM下的PFC变换器的主拓扑为 Boost变换器。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,并会产生严重的EMI。在提高功率因数的同时,提高开关管和二极管的热稳定性,降低EMI、电压应力及电流应力尤为重要。
CCM下PFC系统电源损耗包括导通损耗和开关损耗,前者主要包括给定正向电流时的MOSFET管Q的导通损耗和二极管D正向压降Ⅴf上的导通损耗;后者包括Q上的开关速度损耗和D反向恢复损耗。其中,功率管Q损耗包括开关损耗和导通损耗,即:
Ir=(Vr+VD)/RL (3)
式中,VD、Vr为二极管pn结两端的正、反向压降。一般VR》VD,即有IR≈VR/RL。
肖特基二极管相PN结器件的特性更像一个理想的开关,它的最重要的两个性能指标就是它的低反向恢复电荷Qrr和它的恢复软化系数。其中,低Qrr在二极管关闭时,会产生较低的Irr,而高软化系数会减少二极管关闭所产生的EMl噪声以及在器件阳极上产生的电压脉冲峰值,以降低开关时对系统控制干扰的可能性。
肖特基二极管能够大大提高PFC变换器的性能,但是硅肖特基二极管具有250V左右的反向电压限制。但此升压二极管必须能够耐受500-600V的电压应力,而碳化硅(SiC)又能够耐受较高的电压,故从提高系统性能角度人们已在逐步运用SiC器件。
4种常见增强型二极管的反向恢复电流曲线,如图2所示。在最近新推出的一种新型的硅整流器,它们的反向恢复性能可与SiC二极管一较高下,其反向恢复波形见图2中的D- series曲线。PN结硅二极管发生反偏之前,必须消除的Qrr决定了在其关闭时能够从中产生的Irr大小。Qrr主要取决于PN结附近少数载流子的持续时间或寿命。由于肖特基二极管仅仅是由金属材料接触N型半导体材料构成的,因此,它们没有少数载流子。当肖特基二极管发生反偏时,产生的低Irr来源于金属与二极管体接触电容的放电效应。虽然在Si二极管设计中已采用多种技术控制器件中少数载流子的寿命,但是目前还未有同SiC二极管低Qrr特性相媲美的器件。
图2 常见二极管的反向恢复电流波形
3. 实验结果及分析
在在UPS的产品设计中,分别采用8A/600V Si快速恢复整流二极管和6A/600V SiC整流二极管进行对比测试。产品输入电压为交流220V,母线电压360V,PFC整流工作频率40kHz。
SiC肖特基二极管的Total Capacitive Charge(Qc)小、可以降低开关损失,实现高速开关。而且,Si快速恢复二极管的会随着温度上升而增大,而SiC则可以维持大体一定的特性。
图3 两种整流二极管下整机效率对比
表2、表3分别为采用Si快速恢复整流二极管与SiC整流二极管时,产品内部各电路模块带载效率测试。经测试对比可知,采用SiC二极管后,整机效率整体平均提升了0.5%左右,如图3所示。使用Si二极管PFC变换器的 MOSFET和二极管的开关损耗明显大于SiC二极管,此时Si二极管系统损耗比SiC二极管系统平均高出4~6W由此可知,在高频大电流系统中,使用SiC二极管代替Si二极管,系统损耗明显下降。
