PFC系統(tǒng)工作原理與系統(tǒng)損耗分析

在半導(dǎo)體材料的發(fā)展中，一般將Si、Ge稱為第1代電子材料，GaAs、InP、GaP、lnAs、AlAs及其合金等稱為第2代電子材料，而將寬帶隙高溫半導(dǎo)體SiC、GaN、AlN、金剛石等稱為第3代半導(dǎo)體材料。SiC是第3代半導(dǎo)體材料的核心之一，與Si、GaAs相比，SiC具有很多優(yōu)點，如帶隙寬（常溫下6H-SiC單晶的帶隙為3.023eV，而Si和GaAs分別為1.eV和1.4eV），熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率大、化學(xué)穩(wěn)定性好等，非常適于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成的電子器件。

SiC器件研究

以 MOSFET功率管為例，其引人注目的優(yōu)點諸如轉(zhuǎn)換速度快、峰值電流電容大、易驅(qū)動、安全工作區(qū)（SOA:Safe Operating Area）寬/雪崩及小性能好等都部分地受其傳導(dǎo)特性的影響，而后者強烈依賴于額定電壓與溫度， SIC MOSFET可以很好地解決該問題。實際上，在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，SiC單極器件已大大超過Si的理論極限。日前，已經(jīng)研制成功的典型SiC器件，見表1，表中 SIC MESFET所顯示的輸出功率及功率密度（最大4.6W/mm）是目前在X波段（8~12GHz）使用的各寬帶隙半導(dǎo)體中最高的。

表1 SiC器件研究概表

SiC功率二極管在UPS中的應(yīng)用

隨著社會的發(fā)展，一般的開關(guān)電源均要求采用有源功率因素校正（APFC）技術(shù)，以實現(xiàn)輸入高功率因素以及低電流諧波。在該技術(shù)中，無論采用何種拓?fù)湫问?，升壓整流二極管的反向恢復(fù)電流不僅給二極管造成了損耗，而且會產(chǎn)生較大的EMI。通過產(chǎn)品的應(yīng)用積累，從理論和實驗方面對PFC電路中開關(guān)管和二極管的瞬態(tài)波形及開關(guān)損耗進(jìn)行了分析通過實驗測試，對比了傳統(tǒng)Si二極管與SiC二極管在PFC系統(tǒng)中對關(guān)鍵參數(shù)的影響。SiC二極管的使用使PFC變換器的整體系統(tǒng)效率提升了0.5%左右，相對傳統(tǒng)Si二極管有效降低了開關(guān)損耗。

1. 設(shè)計原理與損耗分析

UPSl000Li是單相在線式UPS，滿載功率1000VA/700W。產(chǎn)品市電輸入端采用高頻升壓斬波 Boost整流電路進(jìn)行功率因數(shù)校正，升壓開關(guān)頻率40kHz，電路原理如圖1所示。

圖1 單相 BOOST功率因數(shù)校正電路

由于開關(guān)頻率很高，CCM下的PFC變換器的主拓?fù)錇?Boost變換器。升壓二極管的反向恢復(fù)會引起較大的反向恢復(fù)損耗和過高的di/dt，并會產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI。在提高功率因數(shù)的同時，提高開關(guān)管和二極管的熱穩(wěn)定性，降低EMI、電壓應(yīng)力及電流應(yīng)力尤為重要。

CCM下PFC系統(tǒng)電源損耗包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，前者主要包括給定正向電流時的MOSFET管Q的導(dǎo)通損耗和二極管D正向壓降Ⅴf上的導(dǎo)通損耗;后者包括Q上的開關(guān)速度損耗和D反向恢復(fù)損耗。其中，功率管Q損耗包括開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，即：

式中，Id-rms為Q功率管電流的均方根;Dpwm為占空比；Eon為開通損耗;Eoff為關(guān)斷損耗;fs為電流的開關(guān)頻率。

同樣， Boost二極管D電流損耗包括開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，即

式中，Io為PFC變換器輸出電流，A；ID-rms為二極管D的均方根電流，A;Qe為在指定電壓條件下的二極管結(jié)電容，f。

CCM PFC的總損耗主要是功率管Q與升壓二極管D的損耗，對PFC的效率進(jìn)行提升，可以選擇低Ⅴf和小反向恢復(fù)電流Irr的二極管D來減小D導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗;選擇低CGD的 MOSFET和短trr的來減小Q的開關(guān)損耗。

2. 二極管反向恢復(fù)特性分析

系統(tǒng)設(shè)計原理與損耗分析可知，在CCM的工作模式下，每當(dāng)控制Q開通時，此時，由于二極管D在完全正向偏置的情況下會發(fā)生快速反偏，并且硅二極管的關(guān)閉需要一定的時間，因此，在二極管關(guān)斷時，流回二極管的反向恢復(fù)電流Irr就會非常大，因此，它的反向恢復(fù)特性直接影響到PFC的性能。二極管的反向恢復(fù)時間取決于二極管的反向恢復(fù)存儲電荷Qrr和反向壓降Vr，在這些存儲電荷突然消失前，二極管pn結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(qū)仍然很窄，pn結(jié)的電阻很小。當(dāng)它與二極管陽極對地阻抗RL相比可以忽略時，反向電流為：

Ir=（Vr+VD）/RL （3）

式中，VD、Vr為二極管pn結(jié)兩端的正、反向壓降。一般VR》VD，即有IR≈VR/RL。

肖特基二極管相PN結(jié)器件的特性更像一個理想的開關(guān)，它的最重要的兩個性能指標(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)。其中，低Qrr在二極管關(guān)閉時，會產(chǎn)生較低的Irr，而高軟化系數(shù)會減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMl噪聲以及在器件陽極上產(chǎn)生的電壓脈沖峰值，以降低開關(guān)時對系統(tǒng)控制干擾的可能性。

肖特基二極管能夠大大提高PFC變換器的性能，但是硅肖特基二極管具有250V左右的反向電壓限制。但此升壓二極管必須能夠耐受500-600V的電壓應(yīng)力，而碳化硅（SiC）又能夠耐受較高的電壓，故從提高系統(tǒng)性能角度人們已在逐步運用SiC器件。

4種常見增強型二極管的反向恢復(fù)電流曲線，如圖2所示。在最近新推出的一種新型的硅整流器，它們的反向恢復(fù)性能可與SiC二極管一較高下，其反向恢復(fù)波形見圖2中的D- series曲線。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，它們沒有少數(shù)載流子。當(dāng)肖特基二極管發(fā)生反偏時，產(chǎn)生的低Irr來源于金屬與二極管體接觸電容的放電效應(yīng)。雖然在Si二極管設(shè)計中已采用多種技術(shù)控制器件中少數(shù)載流子的壽命，但是目前還未有同SiC二極管低Qrr特性相媲美的器件。

圖2 常見二極管的反向恢復(fù)電流波形

3. 實驗結(jié)果及分析

在在UPS的產(chǎn)品設(shè)計中，分別采用8A/600V Si快速恢復(fù)整流二極管和6A/600V SiC整流二極管進(jìn)行對比測試。產(chǎn)品輸入電壓為交流220V，母線電壓360V，PFC整流工作頻率40kHz。

SiC肖特基二極管的Total Capacitive Charge（Qc）小、可以降低開關(guān)損失，實現(xiàn)高速開關(guān)。而且，Si快速恢復(fù)二極管的會隨著溫度上升而增大，而SiC則可以維持大體一定的特性。

圖3 兩種整流二極管下整機效率對比

表2、表3分別為采用Si快速恢復(fù)整流二極管與SiC整流二極管時，產(chǎn)品內(nèi)部各電路模塊帶載效率測試。經(jīng)測試對比可知，采用SiC二極管后，整機效率整體平均提升了0.5%左右，如圖3所示。使用Si二極管PFC變換器的 MOSFET和二極管的開關(guān)損耗明顯大于SiC二極管，此時Si二極管系統(tǒng)損耗比SiC二極管系統(tǒng)平均高出4~6W由此可知，在高頻大電流系統(tǒng)中，使用SiC二極管代替Si二極管，系統(tǒng)損耗明顯下降。

總結(jié)

本文利用SiC整流二極管在UPS中的應(yīng)用，通過對PFC系統(tǒng)工作原理與系統(tǒng)損耗進(jìn)行分析。在系統(tǒng)中使用SiC二極管代替快速恢復(fù)Si二極管，使得系統(tǒng)在效率上得到了提高。并且，由于開關(guān)管損耗的減少，進(jìn)而使得相應(yīng)散熱器減小，整機功率密度提高。

另一方面，由于日前SiC二極管價格仍然較高，所提性能又有限。因此，SiC二極管在應(yīng)用上，性價比仍有待提高。相信隨著科學(xué)的發(fā)展，SiC器件工藝的不斷提升，在不遠(yuǎn)的將來有著廣闊的應(yīng)用前景。