碳化硅二極管在高壓電源的應(yīng)用

  高頻高壓電源作為靜電場高壓加速器的核心設(shè)備，對加速器的性能指標(biāo)有直接的影響，封閉的高壓溫度影響整個電源的工作穩(wěn)定性和可靠性，有必要對溫度影響最大的器件進(jìn)行分析研究。
  脈沖高壓調(diào)制器高壓充電電源采用絕緣磁芯變壓器（Insulated core Transformer，ICT），ICT電壓變換原理和普通變壓器相同，都是通過交變磁場耦合交換能量，ICT采用多組線圈輸出方式，通過絕緣膜使完整的鐵芯分成很多小段，每一小段對于初級線圈都是一個小功率低壓變壓器，每個小功率變壓器輸出電壓通過整流電路輸出，然后把每段的輸出電壓串聯(lián)起來得到高電壓輸出。
  這種結(jié)構(gòu)的好處解決了高壓變壓器的絕緣問題，初級線圈和次級線圈的絕緣耐壓問題，鐵芯和次級線圈的耐壓問題，有利于高壓側(cè)的器件選擇。恒流恒壓高壓充電源原理圖見圖1。

 
1. 二極管工作特性分析
  由于高壓電源采用多輸出線圈經(jīng)過整流輸出直流作為一個輸出單元，再串聯(lián)供電。每個輸出單元就有4個二極管，所以整個直流高壓輸出部分的二極管的數(shù)量多。同時因為輸出是直流高壓，所以需要對輸出高壓做密封隔離處理減少環(huán)境對高壓輸出部分的影響。密閉空間中數(shù)量龐大的二極管的發(fā)熱是一個大問題，需要對二極管的整個工作過程的功率損耗做一個仿真分析，作為二極管選擇的依據(jù)。
 
1.1二極管功率工作過程損耗分析
  二極管工作原理是通過外加的電壓使得二極管的PN結(jié)形成的勢壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴的移動來實現(xiàn)導(dǎo)通和截止。整個過程可以如圖2所示。  
  從二極管導(dǎo)通到截止是一個完整的周期，整個周期中二極管的損耗分析由以下組成： 式中：d=ton/T，導(dǎo)通占空比；T為二極管工作周期；ton為二極管導(dǎo)通時間；VR和IR為二極管的截止電壓和反向截止電流；VRM和IRM為二極管的反向電壓和反向恢復(fù)峰值電流。
根據(jù)二極管的Pspice模型，通過電路仿真，分析二極管的功率損耗，提出二極管選型的依據(jù)。選擇三種二極管進(jìn)行分析，分別為正向?qū)妷旱推胀ǘO管S5M；快恢復(fù)二極管RS3M；無反向恢復(fù)時間SIC二極管CREE公司的C4D05120E。
 
1.2二極管工作特性仿真分析
  首先要構(gòu)建仿真電路，很多電路都可以用來測試二極管的反向恢復(fù)時間的特性，boost和單端反激等，但是前提條件就是需要整個電路工作在不連續(xù)工作狀態(tài)中，這樣才能控制電路電流電壓的條件來分析二極管反向恢復(fù)的特性，不然會受到電路以外的參數(shù)的影響。
  通過測試電路分別對三種二極管的工作特性仿真，發(fā)現(xiàn)不同的電流下降率會有不同的反向恢復(fù)電流峰值，但是反向恢復(fù)時間基本不會跟著改變。通過對二極管關(guān)斷電流下降斜率對二極管恢復(fù)電流峰值的分析，Pspice的仿真電路如圖3所示，仿真結(jié)果為二極管D1的電流值如圖4所示。  
  根據(jù)二極管仿真的結(jié)果匯總成表1，表1確實說明SIC二極管沒有反向恢復(fù)電流，可以得到電流下降斜率和反向峰值電流的關(guān)系見圖5。  
  二極管在全橋移相變換電路中進(jìn)行仿真，如圖5（a）所示，由于Pspice仿真條件器件數(shù)量的限制，輸出單元只能取4組，為了模擬高壓充電電源在實際工作中情況，輸出設(shè)定為2000V、500mA。通過仿真結(jié)果圖5（b）可以看到二極管在同樣的工作條件下，反向作中情況，輸出設(shè)定為2000V、500mA。通過仿真結(jié)特性的差別。二極管的反向恢復(fù)電流峰值跟斜率也確實也符合表1的斜率和反向峰值電流的關(guān)系。
  通過二極管的Datasheet數(shù)據(jù)和二極管的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分別得到表2和表3，根據(jù)式（1）~（3）分別計算二極管在不同狀態(tài)時的功率損耗，綜合這些數(shù)據(jù)來對二極管的功率進(jìn)行分析。
  通過以上分析，S5M是普通的二極管是不適用于高頻的整流。RS3M雖然正向?qū)妷旱陀贑4D05120E，但是由于反向恢復(fù)時間和反向恢復(fù)電流都遠(yuǎn)大于SIC二極管，所以整個損耗也大于C4D05120E。在不連續(xù)的Boost測試電路中C4D05120E基本沒有反向恢復(fù)時間，但是在仿真電路中的反向恢復(fù)時間還是存在，所以電路中其他的條件也會影響反向恢復(fù)特性。通過對比分析，二極管重要的兩個參數(shù)正向?qū)妷汉头聪蚧謴?fù)特性，能用來作為二極管選擇的依據(jù)，對于高壓小電流的二極管來說，反向恢復(fù)特性更重要。所以選擇SIC二極管作為電源的輸出整流二極管。  
2. 實驗驗證
  恒壓恒流高壓充電電源主電路設(shè)計和主功率電路的搭建，如圖6~8所示。通過對平面絕緣芯高壓變壓器的分析，因為多層絕緣膜自然把完整的磁鐵鐵芯分段，使得整個變壓器的激磁電感在這種結(jié)構(gòu)中急劇下降。同時為了提高變壓器的激磁電感，初級線圈匝數(shù)設(shè)計為14匝，為了提高單組線圈的輸出電壓，輸出板的次級匝數(shù)提高到16匝。同時為了更好地改善二極管的溫度特性，同時在PCB上增加二極管的覆銅面積，每塊輸出板的線圈單元數(shù)為6個單元。全橋變換工作在LLC諧振狀態(tài)，可以使得整流二極管能做到零電流開通和關(guān)斷，這也會有助于二極管的工作特性的改善。  
  如圖9所示，整流二極管的電流輸出波形，在諧振工作狀態(tài)的SIC二極管輸出電流基本沒有反向恢復(fù)時間，所以能夠改善二極管的功率損耗。整個高壓電源在輸出50kV時候的工作狀態(tài)如圖10所示，高壓電源特性每個輸出繞組單元輸出600V，總共輸出50kV，那么總共需要84個輸出單元，每個單元4個二極管，總共336個二極管，可以估算所有二極管的功率損耗。  
  通過讀取圖10中數(shù)據(jù)，能夠知道高壓電源的輸入電壓為556V，輸出電壓為50077V，輸入功率為20446W，負(fù)載135kΩ，功率損耗為1870W。LLC諧振功率管采用FF300R12ME4，諧振電路不考慮開通損耗，只要考慮關(guān)斷損耗和反向恢復(fù)損耗和導(dǎo)通功率損耗為1320.4W；濾波電容均壓并聯(lián)電阻為6.5MΩ的功率損耗390W；根據(jù)變壓器磁芯材料可以估計磁芯損耗35W；因為輸出高壓，次級線圈匝數(shù)多，PCB（PrintedCircuitBoard）板布線銅箔長度有600m，銅箔上的損耗為變壓器的銅損40W；每個線圈輸出限流電阻的功率損耗10W。
  因為負(fù)載原因，高壓電源輸出50kV、371mA，根據(jù)仿真計算功率損耗約72.8W，而實際高壓電源二極管的計算損耗為74.6W，結(jié)果很接近。并且通過熱成像儀相片圖11也可以看出整個輸出變壓器的在功率輸出和不輸出時溫度基本不變，也驗證了二極管的功率計算結(jié)果。密封部分（變壓器磁芯、輸出線圈和二極管損耗）總損耗159.6W，功率損耗在可以接受的范圍，能通過空間散熱實現(xiàn)熱平衡。  
3. 結(jié)語
  碳化硅二極管的應(yīng)用改善了絕緣芯變壓器結(jié)構(gòu)的輸出部分的發(fā)熱，受IGBT的開關(guān)頻率的限制沒有真正發(fā)揮碳化硅的高頻特性，隨著開關(guān)頻率的提高，碳化硅二極管的優(yōu)勢會更明顯。



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