前 言

目前，在實現(xiàn)“綠色能源”的新技術(shù)革命中，眾多高頻開關(guān)電源已經(jīng)開始實現(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)會引起較大的反向恢復(fù)損耗和過高的di/dt，產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。在提高功率因數(shù)的同時，提高開關(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)前眾多軟開關(guān)技術(shù)、無損吸收電路應(yīng)用到PFC的電路上，確實達(dá)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(shù)及反向恢復(fù)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(jìn)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(shè)備技術(shù)的應(yīng)用方面有了長足的發(fā)展，碳化硅材料比通用硅有更突出的優(yōu)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(dǎo)熱能力是硅的2～3倍。這些優(yōu)點使得基于碳化硅制成的肖特基勢壘二極管表現(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)通電阻和高的開關(guān)頻率。以上特點能使電源系統(tǒng)中的串聯(lián)開關(guān)器件體積最小化，開關(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(cè)面說明硅材料二極管在高溫時候，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）在室溫條件下測試前向電壓降。在0～4A負(fù)載電流變化時，正向壓降基本是線性增加，從另一個側(cè)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(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)時的均流要求。假設(shè)由于某些原因，兩個碳化硅二極管出現(xiàn)電流不均勻的狀態(tài)，其中一個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，會使器件均流的問題進(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)電流二極管的種類很多，但只有肖特基勢壘二極管運(yùn)載電流的任務(wù)是由多數(shù)載流子完成的，沒有多余的少數(shù)載流子復(fù)合，恢復(fù)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)時間的問題。所用的兩款超快恢復(fù)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(yōu)點，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(fù)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(fù)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(fù)二極管反向恢復(fù)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(fù)二極管反向恢復(fù)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(fù)二極管反向恢復(fù)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(fù)時間越短越好。因反向恢復(fù)電流會給我們帶來很多問題，如二極管反向恢復(fù)損耗，及由此引發(fā)的嚴(yán)重MOSFET開通損耗等。不少軟開關(guān)或無損吸收技術(shù)應(yīng)用到PFC電路中，如圖4是一個典型的無損吸收的應(yīng)用，目的也是為了克服二極管的反向恢復(fù)時間所帶來的問題。它可實現(xiàn)主開關(guān)管接近零電流開通、零電壓關(guān)斷，同時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比較高，甚至達(dá)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(tǒng)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(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5個震蕩后才穩(wěn)定。碳化硅肖特基二極管時的反向恢復(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)時間在12ns（減少70%），二極管反向恢復(fù)電壓為380V （減少18%），而且沒有了后面的震蕩，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)斷時存在反向恢復(fù)時間問題，造成的MOSFET在該區(qū)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(fù)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(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)體器件的開關(guān)損耗。用碳化硅肖特基二極管導(dǎo)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(jī)效率從85%上升到86%，損耗降低了約6W：220V交流輸入時，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，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(guān)或無損吸收技術(shù)，電源的開發(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(chǎn)品具有更強(qiáng)的競爭力。

來源：電力電子技術(shù)與應(yīng)用

審核編輯 ：李倩