SIC二極管在升壓斬波電路中的應用

  電力半導體器件的飛速發(fā)展推動了電力電子技術的發(fā)展，也大大拓寬了電力電子技術的應用范圍。以硅(Si)技術為基礎的材料和新結構器件已經(jīng)在近十年來得到了長足發(fā)展，已經(jīng)接近其理論限制。隨著持續(xù)增長的大電流容量、高耐壓、高頻及高封裝密度要求，需要發(fā)展新型材料器件以獲得更好的器件性能來滿足國民經(jīng)濟與國防建設的需要。碳化硅(SiC)材料正是在這種情況下引起了人們的關注。SiC材料是一種高穩(wěn)定性半導體，其耐磨性和堅固度極好,同時它具有寬的禁帶、高的臨界擊穿電場、高的熱導率以及飽和漂移速度，使SiC器件在高溫、高壓、高頻、大功率等方面有巨大的應用潛力。目前美國、德國、瑞典、日本等發(fā)達國家正在競相投入巨額資金對SiC材料和器件進行研究。
 
  目前，各種功率器件都已證實可改用碳化硅來制造。得益于快速高質(zhì)量碳化硅單晶生長技術的進步,目前碳化硅肖特基二極管的研發(fā)已達到高壓器件水平。阻斷電壓超過10000V和大電流器件通態(tài)電流達130A、同時阻斷電壓高達5000V的器件都在近年來有所報道。目前，國外許多公司已其IGBT變頻或逆變裝置中用這種碳化硅二極管取代硅快恢復二極管。本文將具體用實驗研究碳化硅肖特基二極管在升壓斬波電路中的實際應用，以及其對IGBT和整個回路的影響，對研究碳化硅電力電子器件的應用有一定的參考價值。
 
  1．實驗原理和拓撲圖
  升壓斬波電路(Boost Chopper)原理圖如圖1所示。它由直流電源、輸入濾波電感L、主開關IGBT、二極管、電容和負載電阻組成。當IGBT導通時，輸入電壓加在輸入電感L上，因此電感電流線性上升，二極管截止。當開關IGBT關斷時，儲存在輸入電感L中的能量通過二極管傳送到負載，電容的作用是維持輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。所以，理想情況下電容和電感越大越好。

  圖1使用IGBT為開關器件的升壓斬波電路設IGBT的導通時間為t_on，在此階段電感L上積蓄的能量為EI_Lton。當IGBT處于斷態(tài)時電源E和電感L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設IGBT處于斷態(tài)的時間為t_off，在此期間電感L釋放的能量為(U_o-E)I_Lt_on。當電路工作與穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄與釋放的能量相等，即 上式中T/t_off≥1，輸出電壓Uo高于電源電壓E，故稱該電路為升壓斬波電路。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。由于SiC二極管的通流能力有限，首先通過仿真來確定合適的電路參數(shù)，使得流過IGBT和二極管的電流不會超過器件的最大工作電流20A。在仿真過程中，電子器件的模式都是理想模型，仿真結果如表1所示。仿真結果表明，在電感為200μH，電容為50μF，負載電阻為12k?時，可以保證流過碳化硅二極管的電流小于20A，但是輸入的電壓要小于20V。  
  2．實驗數(shù)據(jù)分析
  2.1 普通硅二極管和碳化硅二極管的比較
  在實際的實驗中，為了保證通過二極管的電流小于20A，我們的輸入電壓設為10V，得到的輸出電壓為120V。首先選擇了電力系統(tǒng)中常用的1700V Si IGBT模塊(Infineon FF650R17IE4及Si PiN二極管)與1700V Si IGBT(Infineon FF650R17IE4)及SiC二極管(Cree C2D20120D)進行比較。由實驗波形可知，兩種情況下IGBT電壓變化波形基本沒什么區(qū)別。IGBT在關斷過程中總趨勢是 IGBT電壓升高，電流降低。但是在電壓上升過程中出現(xiàn)兩個脈沖過電壓，對應兩個脈沖過電壓時刻出現(xiàn)兩個電流下降尖峰， 這是由給定驅動信號波形決定，因為在兩個脈沖過電壓時刻給定驅動信號波形的dv/dt很大。其中Si IGBT和Si PiN 二極管組合中，兩個峰值電壓為174V和194V；Si IGBT和SiC SBD組合中，兩個峰值電壓為176V和216V。  
  通過圖2(b)和(c)的比較，可以看出碳化硅二極管在動態(tài)特性中起到了很大的作用。在IGBT關斷過程中，IGBT的電流先振蕩，再減小?？梢詮膱D中明顯的看出使用碳化硅二極管大大降低了關斷電流的振蕩幅度。同時，二極管電流先上升至最大，待IGBT兩端電壓穩(wěn)定后，隨著電感能量的釋放電感電流逐漸減小，從而二極管的電流也跟著降低，在對應IGBT出現(xiàn)過電壓處，二極管電流也出現(xiàn)兩個尖峰。硅二極管在這兩個尖峰之間還出現(xiàn)了短期的振蕩，在使用碳化硅二極管是這種振蕩的幅度大大減小了。

  在IGBT開通過程中，碳化硅二極管具有更明顯的作用，如圖3所示。IGBT在開通過程中總趨勢是IGBT電壓下降，電流上升。可以看出Si IGBT和Si PiN二極管組合在開通過程時出現(xiàn)一個電流尖峰，其峰值為24A。而Si IGBT和SiC SBD組合電流上升基本沒有過電流現(xiàn)象，其峰值為5A 。這是因為在IGBT開通時，二極管正處于關斷過程，二極管關斷時會有反向恢復電流，在此暫態(tài)過程中IGBT上流過的電流為電感上電流和二極管反向恢復電流之和。因為Si二極管正向導通時在PN結兩側存儲大量少子，當IGBT處于導通過程中時二極管兩端的電壓為穩(wěn)壓電容電壓與IGBT導通電壓之差，因為穩(wěn)壓電容電壓即為升壓斬波電路輸出電壓，此電壓大于IGBT開通電壓，所以二極管處于反偏狀態(tài)，此時少子會在反向電壓作用下漂移而形成反向恢復電流，所以在IGBT開通時會出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。對于Si IGBT和SiC SBD組合，由于SiC材料特 性使其反向恢復電流特別小，所以IGBT開通時電流基本沒有過沖，從而降低了IGBT開通損耗。兩種組合中IGBT開通電流振蕩時間基本一致。  
  在IGBT開通過程中，對于Si IGBT和Si PiN二極管組合，二極管由于PN結存儲的少子在反向電壓下漂移形成很大的反向恢復電流，其峰值可達18A，反向恢復時間約為850ns，振蕩時間約為1.5µs；對于Si IGBT和SiC SBD組合，因為材料的特性使得反向恢復電流小，其峰值僅為為3A，是硅二極管的1/6，反向恢復時間約為170ns，也是硅二極管的1/5，振蕩時間約為1.5µs。
 
  2.2 超快恢復Si二極管和SiC二極管的比較
  圖4比較了1200V Si IGBT模塊(IRGP30B120KD)及超快恢復硅二極管與1200V Si IGBT模塊(IRGP30B120KD)及SiC二極管(Cree C2D20120D)在一個周期內(nèi)的IGBT兩端電壓，通過IGBT的電流和通過二極管的電流?？梢钥闯觯蓟瓒O管的使用沒有對IGBT兩端的電壓和其關斷過程中流過IGBT和二極管的電流有太大的影響。如圖5所示，在IGBT開通時，對于IR IGBT和硅二極管組合，IGBT中流過的峰值電流為6.4A；對于IR IGBT和碳化硅二極管組合，IGBT中流過的峰值電流僅為2.2A。由此可知使用碳化硅肖特基二極管，可以大幅度減小IGBT的開通過電流，其僅為使用IR超快恢復二極管時的34%。對于IR IGBT和硅二極管組合，在IGBT開通時，二極管反向恢復電流峰值約為3.1A，反向恢復時間約為360ns；對于IR IGBT和碳化硅二極管組合，在IGBT開通時，二極管反向恢復電流峰值約為1.6A，反向恢復時間約為170ns。由此可知，對于IR IGBT和硅二極管組合，二極管反向恢復電流峰值和反向恢復的時間都約為IRIGBT和碳化硅二極管組合的兩倍。  
  3．結束語
  通過實驗表明，碳化硅肖特基二極管在升壓斬波電路中可以直接代替原來的傳統(tǒng)硅二極管，大大提高電路整體的動態(tài)特性。碳化硅二極管的使用可以減小IGBT和二極管在IGBT關斷時的振蕩電流。最重要的是，它減小IGBT開通電流過沖，同時減小二極管的反向恢復電流和反向恢復時間。與Si普通二極管相比，SiC二極管可以將IGBT開通的電流峰值減小至1/4，同時二極管的反向恢復電流減小至1/6，反向恢復時間減小至1/5。與Si超快恢復二極管相比，SiC二極管可以將IGBT開通的電流峰值減小一倍，同時二極管的反向恢復電流減小一倍。因此，碳化硅肖特基二極管的使用有利于電力電子器件，如功率因數(shù)校正器，向高頻化和節(jié)能方向發(fā)展。



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