Si整流器與SiC二極管：誰(shuí)與爭(zhēng)鋒

在當(dāng)今的電氣設(shè)備中,功率半導(dǎo)體和電抗式元件（電容和電感）隨處可見(jiàn)。它們?cè)谡９ぷ鬟^(guò)程中會(huì)在為其供電的交流電線上產(chǎn)生兩種不希望出現(xiàn)的副作用。


首先，這些器件會(huì)引起較小的功率因數(shù)。其次，它們會(huì)使線電流失真，引起電噪聲或者產(chǎn)生與線電壓之間的相位偏移。


功率因數(shù)是指實(shí)際使用的功率與交流線上產(chǎn)生的視在功率二者的比值。電氣設(shè)備中如果存在大電容或者電感就會(huì)導(dǎo)致視在功率大于實(shí)際使用的功率，出現(xiàn)較小的功率因數(shù)。


功率因數(shù)越小，在為設(shè)備供電的交流導(dǎo)線上損耗的電能就越多。如果設(shè)備中的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)操作非常頻繁，那么這種開(kāi)關(guān)操作就會(huì)引起交流線電流的失真和噪聲。在開(kāi)關(guān)電源中尤其如此。


某些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（例如IEC 61000-3-2）針對(duì)各種類型的電氣設(shè)備規(guī)定了可容許的線電流失真與功率因數(shù)的大小。實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)補(bǔ)償最簡(jiǎn)單、最劃算的一種方法就是使用增強(qiáng)-轉(zhuǎn)換電路（如圖1所示），這種電路能夠產(chǎn)生比輸入電壓更高的輸出電壓。



圖1 實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)補(bǔ)償最簡(jiǎn)單、最劃算的一種方法就是使用能夠產(chǎn)生比輸入電壓更高的輸出電壓的增強(qiáng)-轉(zhuǎn)換電路

增強(qiáng)二極管的性能


對(duì)于功率達(dá)到300W以上的設(shè)備，通常使用工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（即CCM）下的增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器。對(duì)于增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器所需的兩種功率半導(dǎo)體器件——MOSFET和二極管，其中二極管具有相對(duì)較高的性能要求，因?yàn)樗姆聪蚧謴?fù)特性會(huì)影響MOSFET的性能。


在連續(xù)導(dǎo)通模式下，每當(dāng)控制IC打開(kāi)MOSFET時(shí)，二極管就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高的正向電流。由于增強(qiáng)二極管在完全正向偏置的情況下會(huì)發(fā)生快速反偏，并且硅二極管的關(guān)閉需要一定的時(shí)間，因此在二極管關(guān)閉時(shí)流回二極管的反向恢復(fù)電流（IRR）就會(huì)非常大（參見(jiàn)圖2中的紅色曲線）。



圖2 四種常見(jiàn)增強(qiáng)二極管（400V、5A、200A/μs、125℃）的反向恢復(fù)波形


流過(guò)MOSFET的反向電流升高了它的工作溫度。為此人們?cè)O(shè)計(jì)出了具有極低反向恢復(fù)時(shí)間（tRR）的專用硅二極管，但是它們能夠降低的IRR通常都很有限，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突然關(guān)閉的現(xiàn)象（參見(jiàn)圖2中的黑色曲線）。


低QRR和高軟化系數(shù)


肖特基二極管比PN結(jié)器件的行為特性更像一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)。肖特基二極管最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)就是它的低反向恢復(fù)電荷（QRR）和它的恢復(fù)軟化系數(shù)。


這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器都非常重要。低QRR在二極管關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生較低的IRR。高軟化系數(shù)會(huì)減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMI噪聲、在器件陽(yáng)極上產(chǎn)生的電壓脈沖峰值，降低換向操作干擾PFC控制IC的可能性。

肖特基二極管的局限性


肖特基二極管能夠大大提高PFC增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器的性能，但是硅肖特基二極管具有250V左右的反向電壓限制。由于增強(qiáng)二極管必須能夠耐受500～600V，因此人們開(kāi)始使用碳化硅（SiC）器件，這種化合物能夠耐受較高的電壓。但是，由于SiC器件的成本較高（是同類硅器件的3～5倍），因此很少有應(yīng)用能夠用得起這種器件。


過(guò)去幾年中也出現(xiàn)了性能更好的硅二極管，但是它們的性能都比不上SiC肖特基器件。最近，人們研制出了一系列新型的硅整流器，它們的反向恢復(fù)性能可與SiC肖特基二極管媲美（參見(jiàn)圖2中的綠色曲線）。


在PN結(jié)硅二極管發(fā)生反偏之前必須消除的QRR決定了在其關(guān)閉時(shí)能夠從中產(chǎn)生的IRR大小。QRR主要取決于PN結(jié)附近少數(shù)載流子的持續(xù)時(shí)間或壽命。


由于肖特基二極管僅僅是由金屬材料接觸N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，因此它們沒(méi)有少數(shù)載流子。當(dāng)肖特基二極管發(fā)生反偏時(shí)，產(chǎn)生的低IRR來(lái)源于金屬與二極管體接觸電容的放電效應(yīng)。


在硅二極管的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用多種技術(shù)控制器件中少數(shù)載流子的壽命，但是迄今為止還無(wú)法匹配SiC二極管的低QRR。如圖2中的綠色曲線所示，最新的硅器件——Qspeed半導(dǎo)體公司的Q系列——能夠?qū)崿F(xiàn)與SiC肖特基器件同樣低的IRR（如圖2中的藍(lán)色曲線所示）。


肖特基二極管沒(méi)有少數(shù)載流子，因?yàn)樗鼈冎皇怯山饘俨牧辖佑|N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。


軟化系數(shù)是衡量二極管達(dá)到最大負(fù)值時(shí)其IRR下降歸零速度的一個(gè)指標(biāo)。具有快速恢復(fù)功能的硅二極管在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常采用少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)，使得IRR能夠陡峭下降（如圖2中的黑色曲線所示）。這種快速的關(guān)閉過(guò)程會(huì)在二極管的陽(yáng)極產(chǎn)生大量EMI噪聲和較大的電壓尖脈沖。


為了抵消使用快速二極管時(shí)出現(xiàn)的這些不希望發(fā)生的現(xiàn)象，我們需要精心設(shè)計(jì)慢速的電路。高軟化系數(shù)意味著二極管的IRR歸零的變化速度（di/dt）等于或小于它上升到最大負(fù)值的速度。當(dāng)二極管緩慢關(guān)閉時(shí)，它在二極管陽(yáng)極上產(chǎn)生的EMI噪聲較少，產(chǎn)生的電壓尖脈沖也較低，而且不容易干擾控制IC的工作。


能夠與SiC肖特基二極管相匹敵的硅整流器目前已經(jīng)問(wèn)世，因此工程師們應(yīng)該重新評(píng)估其PFC增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，看一看在使用這些具有與SiC同樣性能的新型硅器件之后是否能夠降低設(shè)計(jì)成本并且/或者提高設(shè)計(jì)性能。

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