SiC肖特基二极管在全桥变换器中的应用技术

  肖特基二极管具有低压大电流、低功耗、高速开关等优良特性，在高频整流、开关电路和保护电路中作为整流和续流元件，可以大幅度降低功耗，提高电路效率和使用频率，减少电路噪声。
  与传统Si二极管相比，SIC二极管利用自身的无反向恢复电流的优点，可大幅降低开关损耗并提高开关频率，同时可带来比采用Si技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围。
  随着信息化社会的来临，UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存等各个环节，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。
  本文以一台3kVA UPS样机为例，来说明电池模式下全桥变换器的工作原理、二极管反向恢复电流引起之尖峰，并研究SIC二极管应用于全桥变换器所能带来的好处。
 
  1. 肖特基二极管的应用
  肖特基二极管的主要特点是高频性能好和正向压降低。这些特点加上制作简便，使该器件得到广泛的应用。
  1. 作为通用整流器，可以应用于许多电路中。
  2. 由于其高频性能良好，在所有的整流器中肖特基势垒是在微波混频器和检波器方面使用最广泛的二极管。
  3. 由于正偏置下其损耗低(低压降)，故它被极其广泛地应用于电力电子设备中。特别是它可应用于低压、大电流电源中。
  4. 由于I-V特性的非线性，故它可用作变阻器。
  5. 基于反偏置下其耗尽层电容是可变的，它可用作变容二极管.
  6. 它是许多其他器件的基本结构单元，如太阳能电池、光电探测器、金属基极晶体管、MESFET等。
  7. 肖特基结的特殊形式是欧姆接触，各种半导体器件与其他器件或外界连接都需要欧姆
接触。
  8. 在箝位双极型晶体管中，肖特基二极管连接在基极和集电极之间，如图7所示。当晶体管工作在饱和状态时，基极-集电极结处于正偏置。当肖特基势垒二极管并联时，大部分电流通过肖特基器件；同时，在基极-集电极p-n结中少数载流子存储消除。结果双极型晶体管的关断时间被大大缩短。
 
  2. SIC二极管工作特性
  普通Si肖特基二极管只用一种载流子输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，所以在关断时，只有二极管结电容导致的位移电流，相比pn结二极管产生的Qrr，该位移电流传输的电荷Qc低到几乎可以忽略。由于Si和GaAs的势垒高度和临界电场比宽带半带导体材料低，所以用其制作的肖特基二极管击穿电压较低，通常低于200V，不适合高压应用。SIC的禁带宽度达到2.2～3.2eV，临界击穿电场高达2~4×10⁶V/cm，用SIC制作的肖特基二极管的最高反向电压可达1200V。同时其反向恢复能力几乎可以忽略不计，与di/dt、导通电流以及结温完全不相关。因此它会大大减小器件的开关损耗，使电路实现高频化成为可能。
  图1示出SIC肖特基二极管在不同温度下，导通电流I_F与压降U_F的关系。可知，当二极管电流超过10A时，导通压降呈现正温度特性，这种特性使SIC肖特基二，极管能够并联使用。

  
  3. 电路工作原理及尖峰电压产生原因
  1)非隔离式全桥变换器工作原理
  图2为U PS样机的电池模式下全桥拓扑架构，此全桥变换器是非隔离式。与隔离式相比，其优点是在同样功率、频率条件下，变压器次级线圈匝数变少，减少的匝数为其初级线圈匝数、并且流过初级侧线圈电流和下桥臂MOSFET电流都会减小。
  工作状态：(1)全桥的一组MOSFET开通时，导通回路为V_s-VT₂-T-VT₃-V_s和V_s-VT₂-VD₁-T-VD₄-LC-V_s。
  (2)两组MOSFET全部关闭时，电感续流，其回路为L-C-VT₃-VD₃-VD₄-L和L-C-VT₄-VD₁-VD₂-L。
  (3)全桥的另一组MOSFET开通时，导通回路为V_s-VT₁-T-VT₄-V_s和V_s-VT₁-VD₃-T-VD₂-LC。  
  2)反向恢复电流引起之尖峰
  假设电路处于续流状态时，VD₁。VD₂、VD₃、VD₄都为正向导通，下一时刻VT₂和VT₃开通，在此导通瞬间，VD₄继续正向导通，但VD₂由于其反向恢复特性，不能立即截止，而是VD₂、VD₄同时导通，从而激起一个很大的电流尖峰。下面T-VD₂-VD₄-T这个回路进行分析。
  (1)反向恢复前期
  等效电路如图3所示、VD₂反向恢复前期等效为一个电阻。U_i为变压器次级电压，R₀为次级绕组电阻、引线电阻及二极管导通电阻之和，L₀为变压器通感和引线电感之和。  
  (2)反向恢复后期
  二极管在反向恢复后期，接近关断状态，等效为一个结电容，等效电路图4所示。R₁为次级绕组电阻与引线电阻之和；L₀为变压器漏感和引线电感之和；C为二极管等效电容。
  由图4可知   从以上各式看出，uc(t)是在U_i基础上叠加一个Uoe^ωsin(ωt+θ)的正弦衰减振荡，在VD₄两端激起一个电压尖峰。  
  (3)由以上分析可看出，在反向恢复期间，由于二极管的反向恢复特性，二极管的电流不能突变，此效应与一个电感等效，二极管两端会产生尖峰电压。
 
  4. 试验及结果
  在3000VA的UPS样机中，分别采用快速Si二极管(IR公司的HFA16TB120)和SIC二极管(CREE
公司的C2D20120D)应用于全桥变换器整流桥进行试验，测试二极管两端的尖峰电压。测试条件负载为2500VA，频率为40Hz，输入电压为直流72V，输出电压为230V正弦电压，二极管两端没有吸收尖峰电路。
  图5和田6为测试结果，快速Si二极管两端尖峰电压为830V，SIC二极管两端尖峰电压为
620V，后者尖峰减小了210V，这正是无反向恢复电流带来的好处。仍然存在的尖峰是变压器漏感和电路杂敢电容等造成的。
  在同样的条件下再对UPS电池模式时的效率进行测试。首先采用快速Si二极管、测得机器效率为91.36%，又用SIC二极管，测得机器效率为92.05%，损耗大约减少了17W，由于HFA16TB120与C2D20120D导通损耗基本一致，所以可以认为这17W就是反向恢复损耗。
 
  5. 结束语
  分析和试验结果表明，二极管的反向恢复电流可以引起很大的尖峰电压并产生反向恢复损耗，这使电路的高频化很难实现。当采用SIC二极管后，反向恢复损耗被大大减小，从而电路易实现高频化，损耗亦会减小，机器效率得到提高。
 



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