SIC二极管在升压斩波电路中的应用

  电力半导体器件的飞速发展推动了电力电子技术的发展，也大大拓宽了电力电子技术的应用范围。以硅(Si)技术为基础的材料和新结构器件已经在近十年来得到了长足发展，已经接近其理论限制。随着持续增长的大电流容量、高耐压、高频及高封装密度要求，需要发展新型材料器件以获得更好的器件性能来满足国民经济与国防建设的需要。碳化硅(SiC)材料正是在这种情况下引起了人们的关注。SiC材料是一种高稳定性半导体，其耐磨性和坚固度极好,同时它具有宽的禁带、高的临界击穿电场、高的热导率以及饱和漂移速度，使SiC器件在高温、高压、高频、大功率等方面有巨大的应用潜力。目前美国、德国、瑞典、日本等发达国家正在竞相投入巨额资金对SiC材料和器件进行研究。
 
  目前，各种功率器件都已证实可改用碳化硅来制造。得益于快速高质量碳化硅单晶生长技术的进步,目前碳化硅肖特基二极管的研发已达到高压器件水平。阻断电压超过10000V和大电流器件通态电流达130A、同时阻断电压高达5000V的器件都在近年来有所报道。目前，国外许多公司已其IGBT变频或逆变装置中用这种碳化硅二极管取代硅快恢复二极管。本文将具体用实验研究碳化硅肖特基二极管在升压斩波电路中的实际应用，以及其对IGBT和整个回路的影响，对研究碳化硅电力电子器件的应用有一定的参考价值。
 
  1．实验原理和拓扑图
  升压斩波电路(Boost Chopper)原理图如图1所示。它由直流电源、输入滤波电感L、主开关IGBT、二极管、电容和负载电阻组成。当IGBT导通时，输入电压加在输入电感L上，因此电感电流线性上升，二极管截止。当开关IGBT关断时，储存在输入电感L中的能量通过二极管传送到负载，电容的作用是维持输出电压稳定在一定范围内。所以，理想情况下电容和电感越大越好。

  图1使用IGBT为开关器件的升压斩波电路设IGBT的导通时间为t_on，在此阶段电感L上积蓄的能量为EI_Lton。当IGBT处于断态时电源E和电感L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设IGBT处于断态的时间为t_off，在此期间电感L释放的能量为(U_o-E)I_Lt_on。当电路工作与稳态时，一个周期T中电感L积蓄与释放的能量相等，即 上式中T/t_off≥1，输出电压Uo高于电源电压E，故称该电路为升压斩波电路。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。由于SiC二极管的通流能力有限，首先通过仿真来确定合适的电路参数，使得流过IGBT和二极管的电流不会超过器件的最大工作电流20A。在仿真过程中，电子器件的模式都是理想模型，仿真结果如表1所示。仿真结果表明，在电感为200μH，电容为50μF，负载电阻为12kΩ时，可以保证流过碳化硅二极管的电流小于20A，但是输入的电压要小于20V。  
  2．实验数据分析
  2.1 普通硅二极管和碳化硅二极管的比较
  在实际的实验中，为了保证通过二极管的电流小于20A，我们的输入电压设为10V，得到的输出电压为120V。首先选择了电力系统中常用的1700V Si IGBT模块(Infineon FF650R17IE4及Si PiN二极管)与1700V Si IGBT(Infineon FF650R17IE4)及SiC二极管(Cree C2D20120D)进行比较。由实验波形可知，两种情况下IGBT电压变化波形基本没什么区别。IGBT在关断过程中总趋势是 IGBT电压升高，电流降低。但是在电压上升过程中出现两个脉冲过电压，对应两个脉冲过电压时刻出现两个电流下降尖峰， 这是由给定驱动信号波形决定，因为在两个脉冲过电压时刻给定驱动信号波形的dv/dt很大。其中Si IGBT和Si PiN 二极管组合中，两个峰值电压为174V和194V；Si IGBT和SiC SBD组合中，两个峰值电压为176V和216V。  
  通过图2(b)和(c)的比较，可以看出碳化硅二极管在动态特性中起到了很大的作用。在IGBT关断过程中，IGBT的电流先振荡，再减小。可以从图中明显的看出使用碳化硅二极管大大降低了关断电流的振荡幅度。同时，二极管电流先上升至最大，待IGBT两端电压稳定后，随着电感能量的释放电感电流逐渐减小，从而二极管的电流也跟着降低，在对应IGBT出现过电压处，二极管电流也出现两个尖峰。硅二极管在这两个尖峰之间还出现了短期的振荡，在使用碳化硅二极管是这种振荡的幅度大大减小了。

  在IGBT开通过程中，碳化硅二极管具有更明显的作用，如图3所示。IGBT在开通过程中总趋势是IGBT电压下降，电流上升。可以看出Si IGBT和Si PiN二极管组合在开通过程时出现一个电流尖峰，其峰值为24A。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 。这是因为在IGBT开通时，二极管正处于关断过程，二极管关断时会有反向恢复电流，在此暂态过程中IGBT上流过的电流为电感上电流和二极管反向恢复电流之和。因为Si二极管正向导通时在PN结两侧存储大量少子，当IGBT处于导通过程中时二极管两端的电压为稳压电容电压与IGBT导通电压之差，因为稳压电容电压即为升压斩波电路输出电压，此电压大于IGBT开通电压，所以二极管处于反偏状态，此时少子会在反向电压作用下漂移而形成反向恢复电流，所以在IGBT开通时会出现过电流现象。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，所以IGBT开通时电流基本没有过冲，从而降低了IGBT开通损耗。两种组合中IGBT开通电流振荡时间基本一致。  
  在IGBT开通过程中，对于Si IGBT和Si PiN二极管组合，二极管由于PN结存储的少子在反向电压下漂移形成很大的反向恢复电流，其峰值可达18A，反向恢复时间约为850ns，振荡时间约为1.5µs；对于Si IGBT和SiC SBD组合，因为材料的特性使得反向恢复电流小，其峰值仅为为3A，是硅二极管的1/6，反向恢复时间约为170ns，也是硅二极管的1/5，振荡时间约为1.5µs。
 
  2.2 超快恢复Si二极管和SiC二极管的比较
  图4比较了1200V Si IGBT模块(IRGP30B120KD)及超快恢复硅二极管与1200V Si IGBT模块(IRGP30B120KD)及SiC二极管(Cree C2D20120D)在一个周期内的IGBT两端电压，通过IGBT的电流和通过二极管的电流。可以看出，碳化硅二极管的使用没有对IGBT两端的电压和其关断过程中流过IGBT和二极管的电流有太大的影响。如图5所示，在IGBT开通时，对于IR IGBT和硅二极管组合，IGBT中流过的峰值电流为6.4A；对于IR IGBT和碳化硅二极管组合，IGBT中流过的峰值电流仅为2.2A。由此可知使用碳化硅肖特基二极管，可以大幅度减小IGBT的开通过电流，其仅为使用IR超快恢复二极管时的34%。对于IR IGBT和硅二极管组合，在IGBT开通时，二极管反向恢复电流峰值约为3.1A，反向恢复时间约为360ns；对于IR IGBT和碳化硅二极管组合，在IGBT开通时，二极管反向恢复电流峰值约为1.6A，反向恢复时间约为170ns。由此可知，对于IR IGBT和硅二极管组合，二极管反向恢复电流峰值和反向恢复的时间都约为IRIGBT和碳化硅二极管组合的两倍。  
  3．结束语
  通过实验表明，碳化硅肖特基二极管在升压斩波电路中可以直接代替原来的传统硅二极管，大大提高电路整体的动态特性。碳化硅二极管的使用可以减小IGBT和二极管在IGBT关断时的振荡电流。最重要的是，它减小IGBT开通电流过冲，同时减小二极管的反向恢复电流和反向恢复时间。与Si普通二极管相比，SiC二极管可以将IGBT开通的电流峰值减小至1/4，同时二极管的反向恢复电流减小至1/6，反向恢复时间减小至1/5。与Si超快恢复二极管相比，SiC二极管可以将IGBT开通的电流峰值减小一倍，同时二极管的反向恢复电流减小一倍。因此，碳化硅肖特基二极管的使用有利于电力电子器件，如功率因数校正器，向高频化和节能方向发展。



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