SiC二极管在UPS中的应用特性和原理

  在半导体材料的发展中,一般将Si、Ge称为第1代电子材料,GaAs、InP、GaP、lnAs、AlAs及其合金等称为第2代电子材料,而将宽带隙高温半导体SiC、GaN、AlN、金刚石等称为第3代半导体材料。SiC是第3代半导体材料的核心之一,与Si、GaAs相比,SiC具有很多优点,如带隙宽(常温下6H-SiC单晶的带隙为3.023eV,而Si和GaAs分别为1.eV和1.4eV),热导率高、电子饱和漂移速率大、化学稳定性好等,非常适于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成的电子器件。
 
  SiC器件研究
  以 MOSFET功率管为例,其引人注目的优点诸如转换速度快、峰值电流电容大、易驱动、安全工作区(SOA:Safe Operating Area)宽/雪崩及小性能好等都部分地受其传导特性的影响,而后者强烈依赖于额定电压与温度, SIC MOSFET可以很好地解决该问题。实际上,在功率转换领域,SiC单极器件已大大超过Si的理论极限。日前,已经研制成功的典型SiC器件,见表1,表中 SIC MESFET所显示的输出功率及功率密度(最大4.6W/mm)是目前在X波段(8~12GHz)使用的各宽带隙半导体中最高的。

 
  SiC功率二极管在UPS中的应用
  随着社会的发展,一般的开关电源均要求采用有源功率因素校正(APFC)技术,以实现输入高功率因素以及低电流谐波。在该技术中,无论采用何种拓扑形式,升压整流二极管的反向恢复电流不仅给二极管造成了损耗,而且会产生较大的EMI。通过产品的应用积累,从理论和实验方面对PFC电路中开关管和二极管的瞬态波形及开关损耗进行了分析通过实验测试,对比了传统Si二极管与SiC二极管在PFC系统中对关键参数的影响。SiC二极管的使用使PFC变换器的整体系统效率提升了0.5%左右，相对传统Si二极管有效降低了开关损耗。
 
  1. 设计原理与损耗分析
  UPSl000Li是单相在线式UPS,满载功率1000VA/700W。产品市电输入端采用高频升压斩波 Boost整流电路进行功率因数校正,升压开关频率40kHz,电路原理如图1所示。  
  由于开关频率很高,CCM下的PFC变换器的主拓扑为 Boost变换器。升压二极管的反向恢复会引起较大的反向恢复损耗和过高的di/dt,并会产生严重的EMI。在提高功率因数的同时,提高开关管和二极管的热稳定性,降低EMI、电压应力及电流应力尤为重要。
 
  CCM下PFC系统电源损耗包括导通损耗和开关损耗,前者主要包括给定正向电流时的MOSFET管Q的导通损耗和二极管D正向压降Ⅴf上的导通损耗;后者包括Q上的开关速度损耗和D反向恢复损耗。其中,功率管Q损耗包括开关损耗和导通损耗,即:   式中,I_d-rms为Q功率管电流的均方根;D_pwm为占空比；E_on为开通损耗;E_off为关断损耗;f_s为电流的开关频率。
 
  同样, Boost二极管D电流损耗包括开关损耗和导通损耗,即  
  式中,I_o为PFC变换器输出电流,A；I_D-rms为二极管D的均方根电流,A;Q_e为在指定电压条件下的二极管结电容，f。
 
  CCM PFC的总损耗主要是功率管Q与升压二极管D的损耗,对PFC的效率进行提升,可以选择低Ⅴ_f和小反向恢复电流I_rr的二极管D来减小D导通损耗和反向恢复损耗;选择低C_GD的 MOSFET和短t_rr的来减小Q的开关损耗。
 
  2. 二极管反向恢复特性分析
  系统设计原理与损耗分析可知,在CCM的工作模式下,每当控制Q开通时,此时,由于二极管D在完全正向偏置的情况下会发生快速反偏,并且硅二极管的关闭需要一定的时间,因此,在二极管关断时,流回二极管的反向恢复电流I_rr就会非常大,因此,它的反向恢复特性直接影响到PFC的性能。二极管的反向恢复时间取决于二极管的反向恢复存储电荷Q_rr和反向压降V_r,在这些存储电荷突然消失前,二极管pn结仍处于正向偏置,即势垒区仍然很窄,pn结的电阻很小。当它与二极管阳极对地阻抗R_L相比可以忽略时,反向电流为:   式中,V_D、V_r为二极管pn结两端的正、反向压降。一般V_R》V_D,即有I_R≈V_R/R_L。
 
  肖特基二极管相PN结器件的特性更像一个理想的开关,它的最重要的两个性能指标就是它的低反向恢复电荷Q_rr和它的恢复软化系数。其中,低Q_rr在二极管关闭时,会产生较低的I_rr,而高软化系数会减少二极管关闭所产生的EMl噪声以及在器件阳极上产生的电压脉冲峰值,以降低开关时对系统控制干扰的可能性。
 
  肖特基二极管能够大大提高PFC变换器的性能,但是硅肖特基二极管具有250V左右的反向电压限制。但此升压二极管必须能够耐受500-600V的电压应力,而碳化硅(SiC)又能够耐受较高的电压,故从提高系统性能角度人们已在逐步运用SiC器件。
 
  4种常见增强型二极管的反向恢复电流曲线,如图2所示。在最近新推出的一种新型的硅整流器,它们的反向恢复性能可与SiC二极管一较高下,其反向恢复波形见图2中的D- series曲线。PN结硅二极管发生反偏之前,必须消除的Q_rr决定了在其关闭时能够从中产生的I_rr大小。Q_rr主要取决于PN结附近少数载流子的持续时间或寿命。由于肖特基二极管仅仅是由金属材料接触N型半导体材料构成的,因此,它们没有少数载流子。当肖特基二极管发生反偏时,产生的低I_rr来源于金属与二极管体接触电容的放电效应。虽然在Si二极管设计中已采用多种技术控制器件中少数载流子的寿命,但是目前还未有同SiC二极管低Q_rr特性相媲美的器件。  
  3. 实验结果及分析
  在在UPS的产品设计中,分别采用8A/600V Si快速恢复整流二极管和6A/600V SiC整流二极管进行对比测试。产品输入电压为交流220V,母线电压360V,PFC整流工作频率40kHz。
 
  SiC肖特基二极管的Total Capacitive Charge(Qc)小、可以降低开关损失,实现高速开关。而且,Si快速恢复二极管的会随着温度上升而增大,而SiC则可以维持大体一定的特性。  
  表2、表3分别为采用Si快速恢复整流二极管与SiC整流二极管时,产品内部各电路模块带载效率测试。经测试对比可知,采用SiC二极管后,整机效率整体平均提升了0.5%左右,如图3所示。使用Si二极管PFC变换器的 MOSFET和二极管的开关损耗明显大于SiC二极管,此时Si二极管系统损耗比SiC二极管系统平均高出4~6W由此可知,在高频大电流系统中,使用SiC二极管代替Si二极管,系统损耗明显下降。  
  总结
  本文利用SiC整流二极管在UPS中的应用,通过对PFC系统工作原理与系统损耗进行分析。在系统中使用SiC二极管代替快速恢复Si二极管,使得系统在效率上得到了提高。并且,由于开关管损耗的减少,进而使得相应散热器减小,整机功率密度提高。
 
  另一方面,由于日前SiC二极管价格仍然较高,所提性能又有限。因此,SiC二极管在应用上,性价比仍有待提高。相信随着科学的发展,SiC器件工艺的不断提升,在不远的将来有着广阔的应用前景。



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