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SiC肖特基二极管在开关电源PFC中的应用效果

作者:海飞乐技术 时间:2018-06-21 18:07

  将宽禁带半导体器件SiC肖特基二极管引入到直流开关电源的PFC电路中,可以在不改变电路拓扑和工作方式的情况下,有效解决硅二极管反向恢复电流给电路带来的许多问题,极大地改善电路的工作品质。
 
  图1所示电路,开关管VT选用MOSFET,型号为IPW60R045CP(600V/60A)。为了进行对比,VD分别采用15ETX06快速硅二极管(600V/15A)和IDT16S06 SiC肖特基二极管(600V/16A),制作了3640W输出功率的PFC实验样机并进行了试验。该样机的输入电压为交流230V,输出电压为直流380V。在用快速硅二极管进行试验时,PFC工作在50kHz。在用SiC肖特基二极管进行试验时,PFC分别工作在50kHz、100kHz、150kHz和200kHz。PFC实验样机在150kHz工作时,电感电流iL和开关管漏源极电压udsVT的实验波形如图1所示。

Boost(升压)型PFC电路 
图1 Boost(升压)型PFC电路
 
  在50kHz频率下,分别采用SiC肖特基二极管和硅二极管进行了试验。在使用SiC肖特基二极管后,电路效率从94.36%提高到95.05%,损耗减少了28W。而15ETX06与IDT16S06C相比,它们的导通损耗基本一致,所以可认为这28W损耗就是硅二极管的反向恢复损耗。通过计算,可得 MOSFET和二极管的导通损耗,加上估算开关损耗与试验得到的反向恢复损耗,可以得到采用硅二极管时开关器件的损耗分布图如图2所示。由图3可见,反向恢复损耗约占整个开关器件损耗的45%。而且实验还表明,随着频率的上升,反向恢复损耗还会近似线性地升高。这也证明了前述分析结论,尤其是在高频工作情况下,二极管反向恢复引起的开关损耗在CCM-PFC电路开关损耗中起主要作用。
开关器件的损耗分布 
图2 开关器件的损耗分布
150kHz工作实验波形 
图3 150kHz工作实验波形
 
  在同一样机上,进行了改变工作频率的试验。表1和图4示出了开关管和SiC肖特基二极管的结温TjVT和TjSIC在不同频率f和40℃室温条件下的实验结果。
 
  由表1和图4可见,SiC肖特基二极管的结温随频率上升很缓慢,而开关管的结温随频率上升很快。这说明,在PFC电路中,VD采用SiC肖特基二极管时,开关损耗主要由开关管产生,SiC肖特基二极管没有反向恢复损耗(由于还存在导通等损耗,故结温略有上升)。试验还表明,采用SiC肖特基二极管没有反向恢复损耗时,与频率有关的损耗只占总损耗的14.5%。
表1 不同频率的器件结温(环境温度为40℃)
不同频率的器件结温 
 
不同频率下的器件结温变化 
图4 不同频率下的器件结温变化(环境温度为40℃)
 
  图5示出了在PFC电路中VD采用SiC肖特基二极管时不同频率下的样机效率。在100kHz工作时,样机效率最高,50kHz时效率次之,150kHz时效率最低。这是因为在改变工作频率时,并没有改变电感参数的缘故。在频率升高后,电感上的电流纹波变小,这有助于减小半导体器件的损耗。但电感本身的损耗与电流纹波和频率会呈非线性的关系,所以在器件不变的情况下,电路会有一个最优频率工作点。根据试验结果,该样机的最佳工作点在100kHz左右。
不同频率下的样机效率 
图5 不同频率下的样机效率
 
  该应用实例实现了输出功率达3650W、开关频率达150kHz的实验样机。实验结果表明,采用快速硅二极管作为PFC升压二极管情况下,由于反向恢复损耗占半导体器件损耗的很大一部分,在这一前提下,大功率的PFC很难实现高频化。当采用SiC肖特基二极管后,反向恢复损耗被大大减小,不仅提高了PFC的电能转换效率,并且实现高频化也变得相对容易。
 
  按照同样的电路拓扑,介绍了SiC肖特基二极管在一种输出直流电压为380V、输出功率为300W、额定工作频率为70kHz的通用型、宽输入电压范围(90~260V)的Boost-PFC中的应用情况。为了便于说明SiC肖特基二极管的应用效果,选用了SDP04S60 SiC肖特基极管(4A/600V)、为开关电源设计的超低反向恢复硅二极管STTH5R06D(5A/600V)以及被广泛使用的RURD460超快恢复硅二极管(4A/600V)作为升压二极管进行了对比实验。图6给出了开关管MOSFET换向期间的电压和电流波形,表2和表3分别给出了220V和110V输入电压下进行的电路效率测量结果。
开关管MOSFET换向期间的电压和电流波形 
图6 开关管MOSFET换向期间的电压和电流波形
a)SDP04S60(SiC二极管) b)STTH5R06D二极管 c)RURD460二极管
 
表2 输入电压220V下的效率测量值
输入电压220V下的效率测量值 
表3 输入电压110V下的效率测量值
输入电压110V下的效率测量值 
 
  从图6可以明显看出,开关管MOSFET由断态转为导通的瞬间,采用DP04S60 SiC肖特基二极管比分别采用STT5R06D和RURD460硅二极管的电流峰值都要小。这说明SiC肖特基二极管在快恢复性能方面是最好的,没有反向恢复电流的问题。
 
  从表2和表3可以看出,采用SDP04S60 SiC肖特基二极管的电路效率也是最高的。这说明,虽然SiC肖特基二极管的直流正向压降一般可能高于硅二极管(如RURD460),但由于二极管反向恢复引起的开关损耗在CCM-PFC电路开关损耗中占有较大比例,采用SiC肖特基极管仍对减小电路损耗有所贡献。
 
  针对该应用,PFC电路板产生的传导电磁干扰(EMI)的实验测量结果,如图7所示。由图7可见,尤其是在高频谱段与STTH5R06D和RURD460相比,采用SDP04S60 SiC肖特基二极管的注入噪声有明显减小。
 
  当然,仔细分析实验结果可以发现,采用SiC肖特基二极管由于只是减小了反向恢复这一部分损耗,对于改善整机效率的作用并不十分明显。但是,这只是工作在70kHIz的情况,如果进一步提高电路的工作频率,其效果必将随之增加。而且更重要的是,由于SiC肖特基二极管在反向恢复峰值电流上有其极为明显的优点,使得电路工作频率可以得到较大提升,从而显著提高变换器的功率密度,从这一意义上讲,采用SiC肖特基二极管也有其巨大的应用潜力和优势。
220V输入电压时的传导EMI测量波形 
图7 220V输入电压时的传导EMI测量波形
a) 在150kHz~1MHz范围 b)在1~30MHz范围
 
 
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