【導(dǎo)讀】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變換器的基本拓撲結(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,阻礙電流的進一步增大,從而促進電流的再一次分配最后達到電流平衡狀態(tài)。由于硅材料的二極管具有負溫度特性,會使器件均流的問題進一步的惡化,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,整機效率從85%上升到86%,損耗降低了約6W:220V交流輸入時,整機效率在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)奶岣撸瑥亩?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)周期進一步縮短,元件數(shù)量減少,電路結(jié)構(gòu)也進一步簡化;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)品具有更強的競爭力。
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