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SiC肖特基二極管在開關電源PFC中的應用效果

作者:海飛樂技術 時間:2018-06-21 18:07

  將寬禁帶半導體器件SiC肖特基二極管引入到直流開關電源的PFC電路中,可以在不改變電路拓撲和工作方式的情況下,有效解決硅二極管反向恢復電流給電路帶來的許多問題,極大地改善電路的工作品質。
 
  圖1所示電路,開關管VT選用MOSFET,型號為IPW60R045CP(600V/60A)。為了進行對比,VD分別采用15ETX06快速硅二極管(600V/15A)和IDT16S06 SiC肖特基二極管(600V/16A),制作了3640W輸出功率的PFC實驗樣機并進行了試驗南方彩票平台。該樣機的輸入電壓為交流230V,輸出電壓為直流380V。在用快速硅二極管進行試驗時,PFC工作在50kHz。在用SiC肖特基二極管進行試驗時,PFC分別工作在50kHz、100kHz南方彩票平台、150kHz和200kHz。PFC實驗樣機在150kHz工作時,電感電流iL和開關管漏源極電壓udsVT的實驗波形如圖1所示。

Boost(升壓)型PFC電路 
圖1 Boost(升壓)型PFC電路
 
  在50kHz頻率下,分別采用SiC肖特基二極管和硅二極管進行了試驗南方彩票平台。在使用SiC肖特基二極管后,電路效率從94.36%提高到95.05%,損耗減少了28W。而15ETX06與IDT16S06C相比,它們的導通損耗基本一致,所以可認為這28W損耗就是硅二極管的反向恢復損耗。通過計算,可得 MOSFET和二極管的導通損耗,加上估算開關損耗與試驗得到的反向恢復損耗,可以得到采用硅二極管時開關器件的損耗分布圖如圖2所示。由圖3可見,反向恢復損耗約占整個開關器件損耗的45%。而且實驗還表明,隨著頻率的上升,反向恢復損耗還會近似線性地升高。這也證明了前述分析結論,尤其是在高頻工作情況下,二極管反向恢復引起的開關損耗在CCM-PFC電路開關損耗中起主要作用。
開關器件的損耗分布 
圖2 開關器件的損耗分布
150kHz工作實驗波形 
圖3 150kHz工作實驗波形
 
  在同一樣機上,進行了改變工作頻率的試驗南方彩票平台。表1和圖4示出了開關管和SiC肖特基二極管的結溫TjVT和TjSIC在不同頻率f和40℃室溫條件下的實驗結果。
 
  由表1和圖4可見,SiC肖特基二極管的結溫隨頻率上升很緩慢,而開關管的結溫隨頻率上升很快南方彩票平台南方彩票平台。這說明,在PFC電路中,VD采用SiC肖特基二極管時,開關損耗主要由開關管產生,SiC肖特基二極管沒有反向恢復損耗(由于還存在導通等損耗,故結溫略有上升)。試驗還表明,采用SiC肖特基二極管沒有反向恢復損耗時,與頻率有關的損耗只占總損耗的14.5%。
表1 不同頻率的器件結溫(環境溫度為40℃)
不同頻率的器件結溫 
 
不同頻率下的器件結溫變化 
圖4 不同頻率下的器件結溫變化(環境溫度為40℃)
 
  圖5示出了在PFC電路中VD采用SiC肖特基二極管時不同頻率下的樣機效率南方彩票平台。在100kHz工作時,樣機效率最高,50kHz時效率次之,150kHz時效率最低。這是因為在改變工作頻率時,并沒有改變電感參數的緣故。在頻率升高后,電感上的電流紋波變小,這有助于減小半導體器件的損耗。但電感本身的損耗與電流紋波和頻率會呈非線性的關系,所以在器件不變的情況下,電路會有一個最優頻率工作點。根據試驗結果,該樣機的最佳工作點在100kHz左右。
不同頻率下的樣機效率 
圖5 不同頻率下的樣機效率
 
  該應用實例實現了輸出功率達3650W、開關頻率達150kHz的實驗樣機。實驗結果表明,采用快速硅二極管作為PFC升壓二極管情況下,由于反向恢復損耗占半導體器件損耗的很大一部分,在這一前提下,大功率的PFC很難實現高頻化南方彩票平台。當采用SiC肖特基二極管后,反向恢復損耗被大大減小,不僅提高了PFC的電能轉換效率,并且實現高頻化也變得相對容易。
 
  按照同樣的電路拓撲,介紹了SiC肖特基二極管在一種輸出直流電壓為380V、輸出功率為300W、額定工作頻率為70kHz的通用型、寬輸入電壓范圍(90~260V)的Boost-PFC中的應用情況。為了便于說明SiC肖特基二極管的應用效果,選用了SDP04S60 SiC肖特基極管(4A/600V)、為開關電源設計的超低反向恢復硅二極管STTH5R06D(5A/600V)以及被廣泛使用的RURD460超快恢復硅二極管(4A/600V)作為升壓二極管進行了對比實驗。圖6給出了開關管MOSFET換向期間的電壓和電流波形,表2和表3分別給出了220V和110V輸入電壓下進行的電路效率測量結果。
開關管MOSFET換向期間的電壓和電流波形 
圖6 開關管MOSFET換向期間的電壓和電流波形
a)SDP04S60(SiC二極管) b)STTH5R06D二極管 c)RURD460二極管
 
表2 輸入電壓220V下的效率測量值
輸入電壓220V下的效率測量值 
表3 輸入電壓110V下的效率測量值
輸入電壓110V下的效率測量值 
 
  從圖6可以明顯看出,開關管MOSFET由斷態轉為導通的瞬間,采用DP04S60 SiC肖特基二極管比分別采用STT5R06D和RURD460硅二極管的電流峰值都要小。這說明SiC肖特基二極管在快恢復性能方面是最好的,沒有反向恢復電流的問題。
 
  從表2和表3可以看出,采用SDP04S60 SiC肖特基二極管的電路效率也是最高的南方彩票平台。這說明,雖然SiC肖特基二極管的直流正向壓降一般可能高于硅二極管(如RURD460),但由于二極管反向恢復引起的開關損耗在CCM-PFC電路開關損耗中占有較大比例,采用SiC肖特基極管仍對減小電路損耗有所貢獻南方彩票平台南方彩票平台。
 
  針對該應用,PFC電路板產生的傳導電磁干擾(EMI)的實驗測量結果,如圖7所示。由圖7可見,尤其是在高頻譜段與STTH5R06D和RURD460相比,采用SDP04S60 SiC肖特基二極管的注入噪聲有明顯減小南方彩票平台。
 
  當然,仔細分析實驗結果可以發現,采用SiC肖特基二極管由于只是減小了反向恢復這一部分損耗,對于改善整機效率的作用并不十分明顯。但是,這只是工作在70kHIz的情況,如果進一步提高電路的工作頻率,其效果必將隨之增加。而且更重要的是,由于SiC肖特基二極管在反向恢復峰值電流上有其極為明顯的優點,使得電路工作頻率可以得到較大提升,從而顯著提高變換器的功率密度,從這一意義上講,采用SiC肖特基二極管也有其巨大的應用潛力和優勢。
220V輸入電壓時的傳導EMI測量波形 
圖7 220V輸入電壓時的傳導EMI測量波形
a) 在150kHz~1MHz范圍 b)在1~30MHz范圍
 
 
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