SiC二極管在UPS中的應(yīng)用特性和原理

  在半導(dǎo)體材料的發(fā)展中,一般將Si、Ge稱(chēng)為第1代電子材料,GaAs、InP、GaP、lnAs、AlAs及其合金等稱(chēng)為第2代電子材料,而將寬帶隙高溫半導(dǎo)體SiC、GaN、AlN、金剛石等稱(chēng)為第3代半導(dǎo)體材料。SiC是第3代半導(dǎo)體材料的核心之一,與Si、GaAs相比,SiC具有很多優(yōu)點(diǎn),如帶隙寬(常溫下6H-SiC單晶的帶隙為3.023eV,而Si和GaAs分別為1.eV和1.4eV),熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率大、化學(xué)穩(wěn)定性好等,非常適于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成的電子器件。
 
  SiC器件研究
  以 MOSFET功率管為例,其引人注目的優(yōu)點(diǎn)諸如轉(zhuǎn)換速度快、峰值電流電容大、易驅(qū)動(dòng)、安全工作區(qū)(SOA:Safe Operating Area)寬/雪崩及小性能好等都部分地受其傳導(dǎo)特性的影響,而后者強(qiáng)烈依賴(lài)于額定電壓與溫度, SIC MOSFET可以很好地解決該問(wèn)題。實(shí)際上,在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域,SiC單極器件已大大超過(guò)Si的理論極限。日前,已經(jīng)研制成功的典型SiC器件,見(jiàn)表1,表中 SIC MESFET所顯示的輸出功率及功率密度(最大4.6W/mm)是目前在X波段(8~12GHz)使用的各寬帶隙半導(dǎo)體中最高的。

 
  SiC功率二極管在UPS中的應(yīng)用
  隨著社會(huì)的發(fā)展,一般的開(kāi)關(guān)電源均要求采用有源功率因素校正(APFC)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)輸入高功率因素以及低電流諧波。在該技術(shù)中,無(wú)論采用何種拓?fù)湫问?升壓整流二極管的反向恢復(fù)電流不僅給二極管造成了損耗,而且會(huì)產(chǎn)生較大的EMI。通過(guò)產(chǎn)品的應(yīng)用積累,從理論和實(shí)驗(yàn)方面對(duì)PFC電路中開(kāi)關(guān)管和二極管的瞬態(tài)波形及開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行了分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)比了傳統(tǒng)Si二極管與SiC二極管在PFC系統(tǒng)中對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的影響。SiC二極管的使用使PFC變換器的整體系統(tǒng)效率提升了0.5%左右，相對(duì)傳統(tǒng)Si二極管有效降低了開(kāi)關(guān)損耗。
 
  1. 設(shè)計(jì)原理與損耗分析
  UPSl000Li是單相在線式UPS,滿(mǎn)載功率1000VA/700W。產(chǎn)品市電輸入端采用高頻升壓斬波 Boost整流電路進(jìn)行功率因數(shù)校正,升壓開(kāi)關(guān)頻率40kHz,電路原理如圖1所示。  
  由于開(kāi)關(guān)頻率很高,CCM下的PFC變換器的主拓?fù)錇?Boost變換器。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,并會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。在提高功率因數(shù)的同時(shí),提高開(kāi)關(guān)管和二極管的熱穩(wěn)定性,降低EMI、電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力尤為重要。
 
  CCM下PFC系統(tǒng)電源損耗包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗,前者主要包括給定正向電流時(shí)的MOSFET管Q的導(dǎo)通損耗和二極管D正向壓降Ⅴf上的導(dǎo)通損耗;后者包括Q上的開(kāi)關(guān)速度損耗和D反向恢復(fù)損耗。其中,功率管Q損耗包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,即:   式中,I_d-rms為Q功率管電流的均方根;D_pwm為占空比；E_on為開(kāi)通損耗;E_off為關(guān)斷損耗;f_s為電流的開(kāi)關(guān)頻率。
 
  同樣, Boost二極管D電流損耗包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,即  
  式中,I_o為PFC變換器輸出電流,A；I_D-rms為二極管D的均方根電流,A;Q_e為在指定電壓條件下的二極管結(jié)電容，f。
 
  CCM PFC的總損耗主要是功率管Q與升壓二極管D的損耗,對(duì)PFC的效率進(jìn)行提升,可以選擇低Ⅴ_f和小反向恢復(fù)電流I_rr的二極管D來(lái)減小D導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗;選擇低C_GD的 MOSFET和短t_rr的來(lái)減小Q的開(kāi)關(guān)損耗。
 
  2. 二極管反向恢復(fù)特性分析
  系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與損耗分析可知,在CCM的工作模式下,每當(dāng)控制Q開(kāi)通時(shí),此時(shí),由于二極管D在完全正向偏置的情況下會(huì)發(fā)生快速反偏,并且硅二極管的關(guān)閉需要一定的時(shí)間,因此,在二極管關(guān)斷時(shí),流回二極管的反向恢復(fù)電流I_rr就會(huì)非常大,因此,它的反向恢復(fù)特性直接影響到PFC的性能。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間取決于二極管的反向恢復(fù)存儲(chǔ)電荷Q_rr和反向壓降V_r,在這些存儲(chǔ)電荷突然消失前,二極管pn結(jié)仍處于正向偏置,即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄,pn結(jié)的電阻很小。當(dāng)它與二極管陽(yáng)極對(duì)地阻抗R_L相比可以忽略時(shí),反向電流為:   式中,V_D、V_r為二極管pn結(jié)兩端的正、反向壓降。一般V_R》V_D,即有I_R≈V_R/R_L。
 
  肖特基二極管相PN結(jié)器件的特性更像一個(gè)理想的開(kāi)關(guān),它的最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)就是它的低反向恢復(fù)電荷Q_rr和它的恢復(fù)軟化系數(shù)。其中,低Q_rr在二極管關(guān)閉時(shí),會(huì)產(chǎn)生較低的I_rr,而高軟化系數(shù)會(huì)減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMl噪聲以及在器件陽(yáng)極上產(chǎn)生的電壓脈沖峰值,以降低開(kāi)關(guān)時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制干擾的可能性。
 
  肖特基二極管能夠大大提高PFC變換器的性能,但是硅肖特基二極管具有250V左右的反向電壓限制。但此升壓二極管必須能夠耐受500-600V的電壓應(yīng)力,而碳化硅(SiC)又能夠耐受較高的電壓,故從提高系統(tǒng)性能角度人們已在逐步運(yùn)用SiC器件。
 
  4種常見(jiàn)增強(qiáng)型二極管的反向恢復(fù)電流曲線,如圖2所示。在最近新推出的一種新型的硅整流器,它們的反向恢復(fù)性能可與SiC二極管一較高下,其反向恢復(fù)波形見(jiàn)圖2中的D- series曲線。PN結(jié)硅二極管發(fā)生反偏之前,必須消除的Q_rr決定了在其關(guān)閉時(shí)能夠從中產(chǎn)生的I_rr大小。Q_rr主要取決于PN結(jié)附近少數(shù)載流子的持續(xù)時(shí)間或壽命。由于肖特基二極管僅僅是由金屬材料接觸N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的,因此,它們沒(méi)有少數(shù)載流子。當(dāng)肖特基二極管發(fā)生反偏時(shí),產(chǎn)生的低I_rr來(lái)源于金屬與二極管體接觸電容的放電效應(yīng)。雖然在Si二極管設(shè)計(jì)中已采用多種技術(shù)控制器件中少數(shù)載流子的壽命,但是目前還未有同SiC二極管低Q_rr特性相媲美的器件。  
  3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
  在在UPS的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,分別采用8A/600V Si快速恢復(fù)整流二極管和6A/600V SiC整流二極管進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。產(chǎn)品輸入電壓為交流220V,母線電壓360V,PFC整流工作頻率40kHz。
 
  SiC肖特基二極管的Total Capacitive Charge(Qc)小、可以降低開(kāi)關(guān)損失,實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)。而且,Si快速恢復(fù)二極管的會(huì)隨著溫度上升而增大,而SiC則可以維持大體一定的特性。  
  表2、表3分別為采用Si快速恢復(fù)整流二極管與SiC整流二極管時(shí),產(chǎn)品內(nèi)部各電路模塊帶載效率測(cè)試。經(jīng)測(cè)試對(duì)比可知,采用SiC二極管后,整機(jī)效率整體平均提升了0.5%左右,如圖3所示。使用Si二極管PFC變換器的 MOSFET和二極管的開(kāi)關(guān)損耗明顯大于SiC二極管,此時(shí)Si二極管系統(tǒng)損耗比SiC二極管系統(tǒng)平均高出4~6W由此可知,在高頻大電流系統(tǒng)中,使用SiC二極管代替Si二極管,系統(tǒng)損耗明顯下降。  
  總結(jié)
  本文利用SiC整流二極管在UPS中的應(yīng)用,通過(guò)對(duì)PFC系統(tǒng)工作原理與系統(tǒng)損耗進(jìn)行分析。在系統(tǒng)中使用SiC二極管代替快速恢復(fù)Si二極管,使得系統(tǒng)在效率上得到了提高。并且,由于開(kāi)關(guān)管損耗的減少,進(jìn)而使得相應(yīng)散熱器減小,整機(jī)功率密度提高。
 
  另一方面,由于日前SiC二極管價(jià)格仍然較高,所提性能又有限。因此,SiC二極管在應(yīng)用上,性?xún)r(jià)比仍有待提高。相信隨著科學(xué)的發(fā)展,SiC器件工藝的不斷提升,在不遠(yuǎn)的將來(lái)有著廣闊的應(yīng)用前景。



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