碳化硅肖特基二极管在升压斩波电路中的应用

  1. 引言
  随着制造工艺的不断完善，基于Si的电力电子器件性能已发挥到Si材料的极限状态，尽管单个高压Si功率器件的电流处理能力已提高到4kA以上，但其电压处理能力一般都低于8kV。电力电子事业发展的基础是电力电子器件，而决定其性能最主要的因素是材料。因此，要在电力电子事业产生革命性影响，必须从材料入手。在宽禁带半导体中，SiC在电力电子器件中的发展比较成熟，具有高临界雪崩击穿电场强度、高载流子饱和漂移速度以及高的热导率，使SiC器件在高温、高压、高频、大功率等方面拥有巨大应用潜力。
  目前碳化硅二极管主要是同Si IGBT反并联使用，国际上已开始将该IGBT应用于汽车逆变器、感应加热逆变器和航空电机驱动逆变器等领域，在降低损耗方面效果显著。在硬开关Boost 变换中，升压二极管的反向恢复会限制开关频率的提高，同时引起较大反向恢复损耗、过高di/dt而产生电磁干扰。在此利用实验研究SiC SBD在升压斩波电路中的实际应用，说明该二极管对IGBT及整个电路的影响，同时利用软件Silvaco模拟了二极管在相同电路条件下，不同载流子寿命对反向恢复电流峰值及反向恢复时间的影响，以此来证明SiC器件短载流子寿命是减小反向恢复电流峰值和缩短关断时间的一个主要因素。
 
  2. 实验电路原理及数据分析
  2.1 实验电路与原理
  为验证SiC SBD在减小反向恢复方面的优势，在此采用简单可靠的升压斩波电路实验，原理如图1所示。当IGBT导通时，输入电压加在L上，因此电感电流i_L线性上升，二极管VD截止。当IGBT关断时，储存在L中的能量通过VD传送到负载R，C的作用是维持输出电压稳定在一定范围内。所以，理想情况下C和L越大越好。设IGBT导通时间为t_on，在此阶段L上积蓄的能量为Ei_Lt_on。当IGBT处于断态时电源E和L共同向C充电，并向R提供能量。设IGBT处于断态时间为t_off，在此期间L释放的能量为（Uo-E）i_Lt_on，U_o为输出电压。当电路工作在稳态时，一个周期T 中L 积蓄与释放的能量相等，即E_Lt_on=（U_o-E）i_Lt_off，简化得U_o=E（t_on+t_off）/t_off=TE/t_off，T/t_off≥1。

 
  升压斩波电路之所以能使U_o高于E，关键是：L储能后具有使电压泵升的作用，以及C可将U_o保持住。由于实验所用碳化硅二极管的额定电流为20A，因此，首先通过仿真来确定L=200μH，C=50μF，R=12kΩ时，输入的电压要小于20V。图2示出输入电压为20V，占空比为2.4%，频率为80Hz时输出电压和二极管电流波形。  
  2.2 实验数据分析
  为通过Boost电路验证碳化硅二极管的优良特性，采用电力系统中常用的1.7kV Si IGBT模块与1.7kV Si IGBT及碳化硅二极管进行比较。实验测得两种不同组合下IGBT开通电流和二极管关断波形如图3所示。   由图3a可见，在Si IGBT和Si二极管组合中，IGBT开通时会出现很大的开通电流过冲，其峰值可达24A，开通损耗较大，同时因为IGBT达到稳态的电流时间较长也使系统的频率受到限制；而Si IGBT和SiC SBD组合电流上升基本没有过电流现象，其峰值为5A。由图3b可见，SiIGBT和Si二极管组合中的二极管在关断时会出现很大的反向关断电流，其峰值可达18A，关断损耗较大； 而Si IGBT和SiC SBD组合中二极管反向恢复电流却很小，其峰值约为1A。
  造成IGBT开通时电流过冲的原因是： 在Si IGBT开通时，电容上的电压施加于二极管，使其处于反向偏置状态，但由于之前二极管处于正向导通状态，大量少子注入使pn结两侧存有大量少数载流子，这些少数载流子在二极管的反向电压作用下形成较大的漂移电流，从而在IGBT开通时形成大的电流过冲；同时因为Si二极管中载流子寿命要比碳化硅二极管长，所以Si二极管的反向恢复时间也比碳化硅二极管长。对于Si IGBT和SiC SBD组合，由于SiC材料特性使其反向恢复电流特别小，IGBT开通时电流基本没有过冲，从而降低了二极管关断损耗和IGBT开通损耗。
 
  3. 不同载流子寿命对反向恢复电流影响
  3.1 仿真电路原理
  少子寿命是影响二极管反向恢复的重要因素。利用Silvaco-TCAD软件模拟二极管反向恢复随载流子寿命变化，仿真电路如图4所示。此电路模拟反向恢复的原理：首先让E，R₁，L和恒流源I构成的回路处于导通状态，其中VD正向导通，通过的电流为I，此时R₂阻值很大，通过其电流几乎为零。当模拟二极管反向恢复时，R₂阻值降为很低，从而短路I，使VD在E作用下处于反偏状态，以此达到模拟二极管反向恢复的目的。电路参数：E=10V，R1=0.2Ω，L=3nH，I=10A，R₂阻断时的电阻为1MΩ，模拟反向恢复时电阻为1mΩ。  
  3.2 仿真结果
  由于Si器件少子寿命在微秒量级，而SiC器件少子寿命在几百纳秒量级，因此所设计的Si-PiN二极管少子寿命тn=5μs，тp=2μs，SiC-PiN二极管少子寿命тn=0.5μs，тp=0.2μs。Si-PiN二极管和SiC-PiN二极管的反向恢复电流波形如图5所示。可见，SiC-PiN二极管电流峰值比Si-PiN二极管反向恢复电流峰值小，且反向恢复时间要比Si-PiN二极管短。由仿真可知，由于SiC-PiN二极管少子寿命比Si-PiN二极管短，使得SiC-PiN二极管反向恢复电流峰值比Si-PiN二极管反向恢复电流峰值小，减小了电磁干扰，缩短了反向恢复时间，提高了系统工作频率，减小了反向恢复损耗。   
  4. 结论
  在此对比了普通Si二极管和碳化硅肖特基二极管在升压斩波电路中关断暂态特性，以及二极管的反向恢复对IGBT开通产生的影响。采用软件Silvaco-TCAD模拟了不同载流子寿命对二极管反向恢复电流峰值和反向恢复时间的影响，证明了SiC短载流子寿命是减小反向恢复电流峰值和时间的重要因素。因此SiC材料的优点将使未来电力电子装置朝着高频、高效的方向发展。
 
 
  其他人也看了
  碳化硅肖特基二极管与快恢复二极管对比
  SiC肖特基二极管的反向特性技术
  碳化硅肖特基二极管的静态特性及应用
  碳化硅肖特基二极管在逆变器电路中的应用优势



上一篇：功率肖特基势垒二极管的性能及制作工艺特点
下一篇：基于肖特基二极管的大功率微波整流电路设计