【導讀】目前，在實現“綠色能源”的新技術革命中
，眾多高頻開關電源已經開始實現高功率因數校正技術（特別是在通信電源中），其中采用有源功率因數校正的居多。連續導電模式Boost變換器是電源係統中應用較廣的功率因數校正變換器。

在硬開關連續導電模式Boost變換中，升壓二極管的反向恢複會引起較大的反向恢複損耗和過高的di/dt，產生嚴重的電磁幹擾。在提高功率因數的同時，提高開關管及半導體管的熱穩定性，降低電磁幹擾（EMI）、電壓應力及電流應力尤為重要。

當前眾多軟開關技術
、無損吸收電路應用到PFC的電路上
，確實達到了很好的效果
，但增加的元器件使成本增加了，同時也降低了電源的可靠性。

本文提到一種新型材料——碳化矽（SiC），用其製作成的肖特基勢壘二極管具有正溫度係數及反向恢複時間接近零的特點
，使得PFC上的MOSFET開通損耗減少，效率得到進一步的提升
，可通過製作一台500W AC/DC電源以驗證該論點。

1、碳化矽二極管的特點

jinnianlai
，tanhuaguicailiaozaidianzishebeijishudeyingyongfangmianyoulechangzudefazhan，tanhuaguicailiaobitongyongguiyougengtuchudeyoudian。zhezhuyaoshiyinweitanhuaguicailiaobitongyongdecailiaoyougenggaodedianchangjichuandianya2. 4×106V/cm、更快的電荷移動速度、更寬的能帶間隙
，材料導熱能力是矽的2～3倍。

這些優點使得基於碳化矽製成的肖特基勢壘二極管表現出高的溫度特性（允許最高工作溫度達到300℃
，是矽材料的2倍）、高的反向耐壓、低的導通電阻和高的開關頻率。以上特點能使電源係統中的串聯開關器件體積最小化，開關頻率的提高也使係統的體積進一步縮小。

2、 碳化矽二極管穩態和暫態特性對PFC的影響

連續模式Boost變換器的基本拓撲結構如圖1所示。它被廣泛應用於功率因數校正電路
，電感電流為連續模式。在該電路中，二極管穩態和暫態特性對PFC電路影響很大。

圖1 Boost變換器

1）穩態特性——前向電壓Uf

如圖2（a）所示，矽材料超快恢複二極管（15A/600V）在室溫條件下測試前向電壓降。在2～5A時
，正向壓降基本不變
，接近飽和，從另一個側麵說明矽材料二極管在高溫時候，正向壓降變小，二極管具有負溫度特性。

如圖2（b）所示，碳化矽肖特基二極管（4A/600V）在室溫條件下測試前向電壓降。在0～4A負fu載zai電dian流liu變bian化hua時shi，正zheng向xiang壓ya降jiang基ji本ben是shi線xian性xing增zeng加jia
，從cong另ling一yi個ge側ce麵mian說shuo明ming碳tan化hua矽gui肖xiao特te基ji二er極ji管guan在zai高gao溫wen時shi候hou，正zheng向xiang壓ya降jiang線xian性xing增zeng加jia，說shuo明ming碳tan化hua矽gui二er極ji管guan具ju有you正zheng溫wen度du特te性xing。

圖2 負載電流與正向壓降

在大功率PFC電(dian)路(lu)中(zhong)，二(er)極(ji)管(guan)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)並(bing)聯(lian)使(shi)用(yong)以(yi)擴(kuo)大(da)容(rong)量(liang)，器(qi)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)均(jun)勻(yun)分(fen)配(pei)問(wen)題(ti)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)
，二(er)極(ji)管(guan)的(de)前(qian)向(xiang)電(dian)壓(ya)和(he)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)的(de)特(te)性(xing)是(shi)關(guan)鍵(jian)。碳(tan)化(hua)矽(gui)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)所(suo)特(te)有(you)的(de)正(zheng)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)的(de)特(te)性(xing)能(neng)保(bao)證(zheng)器(qi)件(jian)並(bing)聯(lian)時(shi)的(de)均(jun)流(liu)要(yao)求(qiu)。

假設由於某些原因，兩個碳化矽二極管出現電流不均勻的狀態，其中一個二極管分配的電流較大，則它的導通電阻
、正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)就(jiu)相(xiang)應(ying)的(de)增(zeng)大(da)
，阻(zu)礙(ai)電(dian)流(liu)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)大(da)，從(cong)而(er)促(cu)進(jin)電(dian)流(liu)的(de)再(zai)一(yi)次(ci)分(fen)配(pei)最(zui)後(hou)達(da)到(dao)電(dian)流(liu)平(ping)衡(heng)狀(zhuang)態(tai)。由(you)於(yu)矽(gui)材(cai)料(liao)的(de)二(er)極(ji)管(guan)具(ju)有(you)負(fu)溫(wen)度(du)特(te)性(xing)
，會(hui)使(shi)器(qi)件(jian)均(jun)流(liu)的(de)問(wen)題(ti)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)惡(e)化(hua)，不(bu)利(li)於(yu)工(gong)作(zuo)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。因(yin)此(ci)，碳(tan)化(hua)矽(gui)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)適(shi)用(yong)直(zhi)接(jie)器(qi)件(jian)並(bing)聯(lian)。

2）暫態特性——反向恢複電流

二er極ji管guan的de種zhong類lei很hen多duo，但dan隻zhi有you肖xiao特te基ji勢shi壘lei二er極ji管guan運yun載zai電dian流liu的de任ren務wu是shi由you多duo數shu載zai流liu子zi完wan成cheng的de
，沒mei有you多duo餘yu的de少shao數shu載zai流liu子zi複fu合he，恢hui複fu時shi間jian非fei常chang小xiao，大da概gai在zai幾ji十shi或huo幾ji百baips

，缺點是其耐壓非常低。其它的矽二極管（如普通二極管、快速二極管、超快恢複二極管）等運載電流的任務是由少數載流子完成，存在著反向恢複時間的問題。所用的兩款超快恢複二極管，其Trr的時間分別為30ns和13ns，但也不能避免這個反向電流的問題。

碳tan化hua矽gui肖xiao特te基ji二er極ji管guan由you於yu材cai料liao的de特te性xing，它ta同tong時shi具ju有you了le兩liang者zhe的de優you點dian
，不bu但dan耐nai壓ya非fei常chang高gao，而er且qie反fan向xiang恢hui複fu特te性xing和he溫wen度du特te性xing都dou非fei常chang好hao。而er矽gui材cai料liao整zheng流liu管guan的de反fan向xiang電dian流liu及ji反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian會hui隨sui溫wen度du的de升sheng高gao而er增zeng大da。碳tan化hua矽gui肖xiao特te基ji二er極ji管guan的de反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian及ji反fan向xiang電dian流liu都dou非fei常chang小xiao
，並bing且qie有you非fei常chang好hao的de溫wen度du特te性xing，其qi反fan向xiang恢hui複fu時shi間jian不bu會hui隨sui著zhe溫wen度du升sheng高gao而er變bian化hua。

如圖3所示，在室溫25℃時，超快恢複二極管反向恢複時間是碳化矽肖特基二極管反向時間的3倍，反向電流是碳化矽肖特基二極管的4倍。在高溫150℃時，超快恢複二極管反向恢複時間是碳化矽肖特基二極管反向時間的6倍，反向電流是碳化矽肖特基二極管的12 倍。

圖3 碳化矽二極管與超快恢複二極管反向恢複特性在不同溫度下的比較

一般來說，我們都希望在單相PFC電路中的二極管D1的反向恢複時間越短越好。因反向恢複電流會給我們帶來很多問題
，如二極管反向恢複損耗，及由此引發的嚴重MOSFET開通損耗等。不少軟開關或無損吸收技術應用到PFC電路中，如圖4是一個典型的無損吸收的應用，目的也是為了克服二極管的反向恢複時間所帶來的問題。它可實現主開關管接近零電流開通、零電壓關斷
，同時升壓二極管為零電流關斷，提高了PFC的效率。但這種電路中
，二極管的諧振電壓會比較高，甚至達到二極管的額定電壓，同時所用的元器件比較多，增加了成本， 也降低了係統的可靠性。

圖4 PFC無損吸收電路

為了驗證碳化矽肖特基二極管能給PFC電路帶來新的改良，我們製作了500W的AC/DC電源，並與超快恢複二極管（DSEP15-06A）做比較。圖4所示電路參數如下：

輸出：535W（53.5V/10A）；

輸入：90VAC；

Q1：IRF460A（500V/22A）；

D1：650V/4A碳化矽肖特基二極管/DSEP15-06A；

L1：400μH
；

C0：440μF/450V；

頻率f：70 kHz。

在室溫25℃
，滿載情況下，分別用超快恢複二極管和碳化矽肖特基二極管作為D1進行比較。超快恢複二極管在室溫25℃時的反向恢複特性如圖5所示，前向電流IF為7.5A，反向電流最大為6.5A，反向恢複時間為40ns，二極管的反向恢複電壓最高達到460V，並且經過5個震蕩後才穩定。

碳化矽肖特基二極管時的反向恢複特性如圖6所示，前向電流相同
，反向電流最大為0.7A（比超快恢複二極管減少89%）
，反向恢複時間在12ns（減少70%），二極管反向恢複電壓為380V （減少18%），而且沒有了後麵的震蕩，關斷損耗也相應減小。

圖5 超快恢複二極管關斷電流，電壓波形

圖6 碳化矽二極管關斷電流，電壓波形

二極管關斷時存在反向恢複時間問題
，造成的MOSFET在該區間開通時的開通電流加大。二極管的反向勢壘電容越大
，MOSFET的開通峰值電流也越大。

用超快恢複二極管時MOSFET開通電流和電壓波形如圖7（b）所示
，MOSFET開通電流的峰值高至11.4 A。用碳化矽肖特基二極管時MOSFET的開通的電流
、電壓和開通損耗波形如圖7（a）所示，MOSFET開通電流的峰值隻有6.5A。後者的開通損耗（麵積）比前者開通損耗（麵積）減少近2/3。

圖7 滿載
，MOSFET開通波形

通過上述分析，碳化矽的前向電壓在額定電流值時是2.00 V，高於超快恢複二極管的前向電壓(1.30 V)。yinci，tanhuaguidedaotongsunhaoshibichaokuaihuifuerjiguandedaotongsunhaogao，dandaotongsunhaozaizhenggedianyuansunhaozhongzhizhanxiaobufen，guanjianhaishiyaojianshaobandaotiqijiandekaiguansunhao。yongtanhuaguixiaotejierjiguandaozhiMOSFET的開通損耗減少的效果尤為明顯。

在90V交流輸入測試時
，整機效率從85%上升到86%
，損耗降低了約6W：220V交流輸入時，整機效率在90%以上。從而散熱片可以適當的減少，頻率可以適當的提高，從而節約成本。

3
、總 結

在電源PFC電路中使用碳化矽肖特基二極管有很多好處。首先電源效率得到了顯著提高，在其他條件不變時，隻需更換二極管就能減小損耗；同時，由於不再需要考慮軟開關或無損吸收技術，電源的開發周期進一步縮短，元件數量減少，電路結構也進一步簡化；更重要的是它減小了對周圍電路的電磁幹擾，提高了電源的可靠性
，使產品具有更強的競爭力。

（本文轉載自電力電子技術與應用微信公眾號）

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