利用開(kāi)關(guān)器件提高PFC效率的實(shí)現(xiàn)

圖4所示為SiC肖特基二極管和硅二極管的反向恢復(fù)特性對(duì)比。在這個(gè)例子中，F(xiàn)airchild公司的速?gòu)?fù)硅二極管按照tRR和VF區(qū)分為三種類(lèi)型，隱形二極管具有快速反向回縮特性，超高速元件擁有最低的VF值。通過(guò)25℃時(shí)的反向恢復(fù)測(cè)試，硅二極管中出現(xiàn)了大量的反向恢復(fù)電流，而SiC肖特基二極管僅僅在電容中出現(xiàn)由p-n結(jié)反向偏壓形成的位移電流。SiC肖特基和硅二極管的V-I特性曲線均為溫度的涵數(shù)。正向電流較低時(shí)，溫度升高時(shí)VF減小。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，可觀察到肖特基勢(shì)壘兩端的電流呈指數(shù)特性。當(dāng)正向電流增加時(shí)，二極管的體電阻決定其正向偏置特性，并且肖特基二極管的VF隨溫度上升而增大。SiC肖特基二極管的帶隙越大，本征載流子濃度和運(yùn)行結(jié)溫就越高。就原理而論，硅二極管的最高結(jié)溫為150℃[8],而SiC肖特基二極管有可能達(dá)到600℃。運(yùn)行溫度的增加允許其重量、體積、成本和熱量管理系統(tǒng)復(fù)雜性的全面減小。

另外，由于SiC肖特基二極管具有正溫度系數(shù)，因此與硅二極管相比，它們更適于在較高的電壓下并聯(lián)運(yùn)行。SiC肖特基二極管的低QRR不僅減少二極管的開(kāi)關(guān)損耗，而且能減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通損耗，使CCM PFC達(dá)到很高的能效。就算SiC二極管中的正向電流比硅二極管大，上述情況仍然成立。在MOSFET的導(dǎo)通瞬間，SiC肖特基二極管優(yōu)越的溫度特性可以降低漏電流峰值。并且設(shè)計(jì)人員可以使用較小的MOSFET來(lái)減低成本。

MOSFET/SiC二極管集成模塊

SiC,碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。目前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20~3.25,顯微硬度為2840~3320kg/mm2.碳化硅包括黑碳化硅和綠碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂，石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料，通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，性脆而鋒利。綠碳化硅是以石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料，添加食鹽作為添加劑，通過(guò)電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉。

使用高壓SuperFET和一個(gè)SiC肖特基二極管組成的CCM PFC測(cè)試電路，具體地說(shuō)，將Fairchild公司的600-VN溝道SuperFET MOSFET(FCA20N60)和6A SiC肖特基二極管組合，與平面型MOSFET(FQA24N50)和超高速二極管(RURP860)組合進(jìn)行比較，比較內(nèi)容為開(kāi)關(guān)損耗與功效。此測(cè)試電路的工作頻率100kHz,輸出電壓和電流分別為400V與1A.導(dǎo)通時(shí)SuperFET的柵電阻是12Ω，關(guān)斷時(shí)為9.1Ω。

分別測(cè)量MOSFET與二極管的電壓和電流來(lái)估算元件的功率損耗。并且量測(cè)輸入與輸出功率來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的功效。滿負(fù)荷下，MOSFET信號(hào)波形由高電平向低電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac,開(kāi)關(guān)損耗通過(guò)VDS與ID的交叉區(qū)來(lái)測(cè)量。SuperFET開(kāi)關(guān)時(shí)間大大地降低。平面型MOSFET的關(guān)斷損耗為159μJ,SuperFET為125μJ(減小34μJ或21%)。

滿負(fù)荷下，MOSFET信號(hào)波形由低電平向高電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac,在二極管與MOSFET中有5.3A的反向恢復(fù)電流通過(guò)(除電感電流以外)，此電流來(lái)自于升壓硅二極管。然而SiC肖特基二極管僅僅有1.2A的位移電流，可忽略不計(jì)。所以使用硅二極管時(shí)MOSFET的開(kāi)通損耗為73.8μJ,使用SiC肖特基二極管時(shí)為28.9μJ(減少44.9μJ或61%)。

在此次測(cè)試中，滿負(fù)荷下二極管信號(hào)波形由高電平向低電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac.硅二極管中的反向恢復(fù)電流峰值為5.3A,反向恢復(fù)電壓峰值為500V.在同樣情況下，SiC肖特基二極管中的反向恢復(fù)電流可忽略不計(jì)，反向恢復(fù)電壓為450V.這兩種MOSFET類(lèi)型的不同動(dòng)態(tài)特性形成不同的MOSFET開(kāi)通損耗。由于SiC二極管的恢復(fù)時(shí)間為零，因此SiC肖特基二極管的關(guān)斷損耗要比硅二極管低大約78%.

圖5所示為開(kāi)關(guān)損耗一覽，將SuperFET與SiC肖特基二極管組合后，可有效減少開(kāi)關(guān)損耗。與平面型MOSFET相比，SuperFET能夠降低21%的關(guān)斷損耗。與速?gòu)?fù)二極管相比，SiC二極管能夠降低61%的開(kāi)通損耗。當(dāng)然，使用SiC肖特基二極管代替速?gòu)?fù)硅二極管與傳統(tǒng)的MOSFET組合，可以使MOSFET的關(guān)斷損耗降低78%,使其開(kāi)通損耗降低23%.圖6所示為不同器件組合的功效測(cè)量結(jié)果。從圖中不難看出，在整個(gè)運(yùn)行范圍中，MOSFET/SiC肖特基二極管的組合對(duì)提高功效起到了很重要的作用。甚至在大電流時(shí)(滿負(fù)荷低輸入電壓)，改善的效果也很明顯，在同樣的情況下，MOSFET/SiC肖特基二極管組合的功效比傳統(tǒng)器件高出4%.對(duì)于開(kāi)關(guān)損耗的分析證明，通過(guò)減小SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)電荷來(lái)減低MOSFET開(kāi)通損耗，是提高功效的主要途徑。最終結(jié)果是增加了CCM PFC下的功率密度。