SIC二極管在升壓斬波電路中的應(yīng)用

  電力半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展推動(dòng)了電力電子技術(shù)的發(fā)展，也大大拓寬了電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍。以硅(Si)技術(shù)為基礎(chǔ)的材料和新結(jié)構(gòu)器件已經(jīng)在近十年來得到了長(zhǎng)足發(fā)展，已經(jīng)接近其理論限制。隨著持續(xù)增長(zhǎng)的大電流容量、高耐壓、高頻及高封裝密度要求，需要發(fā)展新型材料器件以獲得更好的器件性能來滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的需要。碳化硅(SiC)材料正是在這種情況下引起了人們的關(guān)注。SiC材料是一種高穩(wěn)定性半導(dǎo)體，其耐磨性和堅(jiān)固度極好,同時(shí)它具有寬的禁帶、高的臨界擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率以及飽和漂移速度，使SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率等方面有巨大的應(yīng)用潛力。目前美國(guó)、德國(guó)、瑞典、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家正在競(jìng)相投入巨額資金對(duì)SiC材料和器件進(jìn)行研究。
 
  目前，各種功率器件都已證實(shí)可改用碳化硅來制造。得益于快速高質(zhì)量碳化硅單晶生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步,目前碳化硅肖特基二極管的研發(fā)已達(dá)到高壓器件水平。阻斷電壓超過10000V和大電流器件通態(tài)電流達(dá)130A、同時(shí)阻斷電壓高達(dá)5000V的器件都在近年來有所報(bào)道。目前，國(guó)外許多公司已其IGBT變頻或逆變裝置中用這種碳化硅二極管取代硅快恢復(fù)二極管。本文將具體用實(shí)驗(yàn)研究碳化硅肖特基二極管在升壓斬波電路中的實(shí)際應(yīng)用，以及其對(duì)IGBT和整個(gè)回路的影響，對(duì)研究碳化硅電力電子器件的應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。
 
  1．實(shí)驗(yàn)原理和拓?fù)鋱D
  升壓斬波電路(Boost Chopper)原理圖如圖1所示。它由直流電源、輸入濾波電感L、主開關(guān)IGBT、二極管、電容和負(fù)載電阻組成。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在輸入電感L上，因此電感電流線性上升，二極管截止。當(dāng)開關(guān)IGBT關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在輸入電感L中的能量通過二極管傳送到負(fù)載，電容的作用是維持輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。所以，理想情況下電容和電感越大越好。

  圖1使用IGBT為開關(guān)器件的升壓斬波電路設(shè)IGBT的導(dǎo)通時(shí)間為t_on，在此階段電感L上積蓄的能量為EI_Lton。當(dāng)IGBT處于斷態(tài)時(shí)電源E和電感L共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)IGBT處于斷態(tài)的時(shí)間為t_off，在此期間電感L釋放的能量為(U_o-E)I_Lt_on。當(dāng)電路工作與穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄與釋放的能量相等，即 上式中T/t_off≥1，輸出電壓Uo高于電源電壓E，故稱該電路為升壓斬波電路。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。由于SiC二極管的通流能力有限，首先通過仿真來確定合適的電路參數(shù)，使得流過IGBT和二極管的電流不會(huì)超過器件的最大工作電流20A。在仿真過程中，電子器件的模式都是理想模型，仿真結(jié)果如表1所示。仿真結(jié)果表明，在電感為200μH，電容為50μF，負(fù)載電阻為12k?時(shí)，可以保證流過碳化硅二極管的電流小于20A，但是輸入的電壓要小于20V。  
  2．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
  2.1 普通硅二極管和碳化硅二極管的比較
  在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，為了保證通過二極管的電流小于20A，我們的輸入電壓設(shè)為10V，得到的輸出電壓為120V。首先選擇了電力系統(tǒng)中常用的1700V Si IGBT模塊(Infineon FF650R17IE4及Si PiN二極管)與1700V Si IGBT(Infineon FF650R17IE4)及SiC二極管(Cree C2D20120D)進(jìn)行比較。由實(shí)驗(yàn)波形可知，兩種情況下IGBT電壓變化波形基本沒什么區(qū)別。IGBT在關(guān)斷過程中總趨勢(shì)是 IGBT電壓升高，電流降低。但是在電壓上升過程中出現(xiàn)兩個(gè)脈沖過電壓，對(duì)應(yīng)兩個(gè)脈沖過電壓時(shí)刻出現(xiàn)兩個(gè)電流下降尖峰， 這是由給定驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形決定，因?yàn)樵趦蓚€(gè)脈沖過電壓時(shí)刻給定驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形的dv/dt很大。其中Si IGBT和Si PiN 二極管組合中，兩個(gè)峰值電壓為174V和194V；Si IGBT和SiC SBD組合中，兩個(gè)峰值電壓為176V和216V。  
  通過圖2(b)和(c)的比較，可以看出碳化硅二極管在動(dòng)態(tài)特性中起到了很大的作用。在IGBT關(guān)斷過程中，IGBT的電流先振蕩，再減小?？梢詮膱D中明顯的看出使用碳化硅二極管大大降低了關(guān)斷電流的振蕩幅度。同時(shí)，二極管電流先上升至最大，待IGBT兩端電壓穩(wěn)定后，隨著電感能量的釋放電感電流逐漸減小，從而二極管的電流也跟著降低，在對(duì)應(yīng)IGBT出現(xiàn)過電壓處，二極管電流也出現(xiàn)兩個(gè)尖峰。硅二極管在這兩個(gè)尖峰之間還出現(xiàn)了短期的振蕩，在使用碳化硅二極管是這種振蕩的幅度大大減小了。

  在IGBT開通過程中，碳化硅二極管具有更明顯的作用，如圖3所示。IGBT在開通過程中總趨勢(shì)是IGBT電壓下降，電流上升?？梢钥闯鯯i IGBT和Si PiN二極管組合在開通過程時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電流尖峰，其峰值為24A。而Si IGBT和SiC SBD組合電流上升基本沒有過電流現(xiàn)象，其峰值為5A 。這是因?yàn)樵贗GBT開通時(shí)，二極管正處于關(guān)斷過程，二極管關(guān)斷時(shí)會(huì)有反向恢復(fù)電流，在此暫態(tài)過程中IGBT上流過的電流為電感上電流和二極管反向恢復(fù)電流之和。因?yàn)镾i二極管正向?qū)〞r(shí)在PN結(jié)兩側(cè)存儲(chǔ)大量少子，當(dāng)IGBT處于導(dǎo)通過程中時(shí)二極管兩端的電壓為穩(wěn)壓電容電壓與IGBT導(dǎo)通電壓之差，因?yàn)榉€(wěn)壓電容電壓即為升壓斬波電路輸出電壓，此電壓大于IGBT開通電壓，所以二極管處于反偏狀態(tài)，此時(shí)少子會(huì)在反向電壓作用下漂移而形成反向恢復(fù)電流，所以在IGBT開通時(shí)會(huì)出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。對(duì)于Si IGBT和SiC SBD組合，由于SiC材料特 性使其反向恢復(fù)電流特別小，所以IGBT開通時(shí)電流基本沒有過沖，從而降低了IGBT開通損耗。兩種組合中IGBT開通電流振蕩時(shí)間基本一致。  
  在IGBT開通過程中，對(duì)于Si IGBT和Si PiN二極管組合，二極管由于PN結(jié)存儲(chǔ)的少子在反向電壓下漂移形成很大的反向恢復(fù)電流，其峰值可達(dá)18A，反向恢復(fù)時(shí)間約為850ns，振蕩時(shí)間約為1.5µs；對(duì)于Si IGBT和SiC SBD組合，因?yàn)椴牧系奶匦允沟梅聪蚧謴?fù)電流小，其峰值僅為為3A，是硅二極管的1/6，反向恢復(fù)時(shí)間約為170ns，也是硅二極管的1/5，振蕩時(shí)間約為1.5µs。
 
  2.2 超快恢復(fù)Si二極管和SiC二極管的比較
  圖4比較了1200V Si IGBT模塊(IRGP30B120KD)及超快恢復(fù)硅二極管與1200V Si IGBT模塊(IRGP30B120KD)及SiC二極管(Cree C2D20120D)在一個(gè)周期內(nèi)的IGBT兩端電壓，通過IGBT的電流和通過二極管的電流?？梢钥闯?，碳化硅二極管的使用沒有對(duì)IGBT兩端的電壓和其關(guān)斷過程中流過IGBT和二極管的電流有太大的影響。如圖5所示，在IGBT開通時(shí)，對(duì)于IR IGBT和硅二極管組合，IGBT中流過的峰值電流為6.4A；對(duì)于IR IGBT和碳化硅二極管組合，IGBT中流過的峰值電流僅為2.2A。由此可知使用碳化硅肖特基二極管，可以大幅度減小IGBT的開通過電流，其僅為使用IR超快恢復(fù)二極管時(shí)的34%。對(duì)于IR IGBT和硅二極管組合，在IGBT開通時(shí)，二極管反向恢復(fù)電流峰值約為3.1A，反向恢復(fù)時(shí)間約為360ns；對(duì)于IR IGBT和碳化硅二極管組合，在IGBT開通時(shí)，二極管反向恢復(fù)電流峰值約為1.6A，反向恢復(fù)時(shí)間約為170ns。由此可知，對(duì)于IR IGBT和硅二極管組合，二極管反向恢復(fù)電流峰值和反向恢復(fù)的時(shí)間都約為IRIGBT和碳化硅二極管組合的兩倍。  
  3．結(jié)束語
  通過實(shí)驗(yàn)表明，碳化硅肖特基二極管在升壓斬波電路中可以直接代替原來的傳統(tǒng)硅二極管，大大提高電路整體的動(dòng)態(tài)特性。碳化硅二極管的使用可以減小IGBT和二極管在IGBT關(guān)斷時(shí)的振蕩電流。最重要的是，它減小IGBT開通電流過沖，同時(shí)減小二極管的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間。與Si普通二極管相比，SiC二極管可以將IGBT開通的電流峰值減小至1/4，同時(shí)二極管的反向恢復(fù)電流減小至1/6，反向恢復(fù)時(shí)間減小至1/5。與Si超快恢復(fù)二極管相比，SiC二極管可以將IGBT開通的電流峰值減小一倍，同時(shí)二極管的反向恢復(fù)電流減小一倍。因此，碳化硅肖特基二極管的使用有利于電力電子器件，如功率因數(shù)校正器，向高頻化和節(jié)能方向發(fā)展。



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