SiC肖特基二極管在全橋變換器中的應(yīng)用優(yōu)勢

  與傳統(tǒng)Si二極管相比,SiC二極管利用自身的無反向恢復(fù)電流的優(yōu)點,可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率,同時可帶來比采用Si技術(shù)的肖特基二極管高得多的操作電壓范圍。
 
  隨著信息化社會的來臨,UPS廣泛地應(yīng)用于從信息采集、傳送、處理,儲存等各個環(huán)節(jié),其重要性是隨著信息應(yīng)用重要性的日益提高面增加的。
 
  本文以一臺3 kV樣機為例,米說明電池模式下全橋變換器的工作原理,二極管反向恢復(fù)電流引起之尖峰,井研究SiC二極管應(yīng)用于全橋變換器所能帶來的好處。
 
  1. SiC二極管工作特性
  普通Si肖特基二極管只用一種載流子輸送電荷,在勢壘外側(cè)無過剩少數(shù)載流子的積累,所以在關(guān)斷時,只有二極管結(jié)電容導(dǎo)致的位移電流,相比pn結(jié)二極管產(chǎn)生的Qrr,該位移電流傳輸?shù)碾姾蒕c低到幾乎可以忽略。由于Si和GaAs的壘高度和臨界電場比寬帶半導(dǎo)體材料低,所以用其制作的肖特基二極管擊穿電壓較低,通常低于200V,不適合高壓應(yīng)用。SiC的禁帶寬度達到2.2-3.2eV,臨界擊穿電場高達2~4x10⁶V/cm,用SiC制作的肖特基二極管的最高反向電壓可達1200V。同時其反向恢復(fù)能力兒乎可以忽路不計,與di/dt、導(dǎo)通電流以及結(jié)溫完全不相關(guān)。因此它會大大減小器件的開關(guān)損耗,使電路實現(xiàn)高頻化成為可能。
 
  圖1示出SiC肖特基二極管在不同溫度下,導(dǎo)通電流I_F與壓降U_F的關(guān)系?？芍?當二極管電流超過10A時,導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)正溫度特性,這種特性使SiC肖特基二極管能夠并聯(lián)使用。

 
  2. 電路工作原理及尖峰電壓產(chǎn)生原因
  1)非隔離式全橋變換器工作原理
  圖2為UPS樣機的電池模式下全橋拓撲架構(gòu),此全橋變換器是非隔離式。與隔離式相比,其優(yōu)點是在同樣功率、頻率條件下,變壓器次級線圈匝數(shù)變少,減少的匝數(shù)為其初級線圈匝數(shù),并且流過初級側(cè)線圈電流和下橋臂MOSFET電流都會減小。
 
  工作狀態(tài): 
  (1)全橋的一組MOSFET開通時,導(dǎo)通回路為V_s-VT₂-T-VT₃-V_s和Vs-VT₂-VD₁-T-VD₄--LC-Vs。
  (2)兩組MOSFET全部關(guān)閉時,電感續(xù)流,其回路為L-C-VT₃-VD₃-VD₄-L和L-C-VT₄-VD₁-VD₂-L。
  (3)全橋的另一組MOSFET開通時,導(dǎo)通回路為V_s-VT₁-T-VT₄-V_s和V_s-VT₁-VD₃-T-VD₂-LC。  
  2)反向恢復(fù)電流引起之尖峰
  假設(shè)電路處于續(xù)流狀態(tài)時,VD₁、VD₂、VD₃、VD₄都為正向?qū)?下一時刻VT₂和VT₃開通,在此導(dǎo)通瞬間,VD₄繼續(xù)正向?qū)?但VD₂由于其反向恢復(fù)特性,不能立即截止,而是VD₂、VD₄同時導(dǎo)通,從而激起一個很大的電流尖峰。下面對T-VD₂-VD₄-T這個回路進行分析。
 
  (1)反向恢復(fù)前期
  等效電路如圖3所示,VD₂反向恢復(fù)前期等效為一個電阻。U_i為變壓器次級電壓,R₀為次級繞組電阻、引線電阻及二極管導(dǎo)通電阻之和;L_o為變壓器漏感和引線電感之和。  
  (2)反向恢復(fù)后期
  二極管在反向恢復(fù)后期,接近關(guān)斷狀態(tài),等效為一個結(jié)電容,等效電路圖4所示。R₁為次級繞組電阻與引線電阻之和;L0為變壓器漏感和引線電感之和;C為二極管等效電容。  
  由圖4可知:   從以上各式看出,uc(t)是在U_i基礎(chǔ)上疊加一個 U_oe^ωsin(ωt+θ)的正弦衰減振蕩,在VD₄兩端激起一個電壓尖峰。
 
  (3)由以上分析可看出,在反向恢復(fù)期間，由于二極管的反向恢復(fù)特性,二極管的電流不能突變,此效應(yīng)與一個電感等效,二極管兩端會產(chǎn)生尖峰電壓。
 
  3. 試驗及結(jié)果
  在3000VA的UPS樣機中,分別采用快速Si二極管和SiC二極管應(yīng)用于全橋變換器整流橋進行試驗,測試二極管兩端的尖峰電壓。測試條件:負載為2500VA,頻率為40Hz,輸入電壓為直流72V,輸出電壓為230V正弦電壓,二極管兩端沒有吸收尖峰電路。
 
  圖5和圖6為測試結(jié)果,快速Si二極管兩端尖峰電壓為830V,SiC二極管兩端尖峰電壓為620V,后者尖峰減小了210V,這正是無反向恢復(fù)電流帶來的好處。仍然存在的尖峰是變壓器漏感和電路雜散電容等造成的。  
  在同樣的條件下再對UPS電池模式時的效率進行測試。首先采用快速Si二極管,測得機器效率為91.36%,又用SiC二極管,測得機器效率為92.05%,損耗大約減少了17W,由于HFA16TB120與C2D20120D導(dǎo)通損耗基本一致,所以可以認為這17W就是反向恢復(fù)損耗。
 
  4. 結(jié)束語
  分析和試驗結(jié)果表明,二極管的反向恢復(fù)電流可以引起很大的尖峰電壓并產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗,這使電路的高頻化很難實現(xiàn)。當采用SiC二極管后,反向恢復(fù)損耗被大大減小,從而電路易實現(xiàn)高頻化,損耗亦會減小,機器效率得到提高。



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