超越SiC二極管性能的硅整流器

    SiC二極管與硅整流器哪個更有優(yōu)勢？我們試著分析一下。

    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。它們在正常工作過程中會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，這些器件會引起較小的功率因數(shù)。其次，它們會使線電流失真，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導(dǎo)致視在功率大于實際使用的功率，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)體開關(guān)操作非常頻繁，那么這種開關(guān)操作就會引起交流線電流的失真和噪聲。在開關(guān)電源中尤其如此。

　　某些國際標(biāo)準(zhǔn)（例如IEC61000-3-2）針對各種類型的電氣設(shè)備規(guī)定了可容許的線電流失真與功率因數(shù)的大小。實現(xiàn)功率因數(shù)補(bǔ)償最簡單、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 實現(xiàn)功率因數(shù)補(bǔ)償最簡單、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較高的性能要求，因為它的反向恢復(fù)特性會影響MOSFET的性能。

　　在連續(xù)導(dǎo)通模式下，每當(dāng)控制IC打開MOSFET時，二極管就會產(chǎn)生一個較高的正向電流。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)閉時流回二極管的反向恢復(fù)電流（IRR）就會非常大（參見圖2中的紅色曲線）。

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

　　流過MOSFET的反向電流升高了它的工作溫度。為此人們設(shè)計出了具有極低反向恢復(fù)時間（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)常會出現(xiàn)突然關(guān)閉的現(xiàn)象（參見圖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理想的開關(guān)。肖特基二極管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)。

　　這兩個指標(biāo)對于增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器都非常重要。低QRR在二極管關(guān)閉時會產(chǎn)生較低的IRR。高軟化系數(shù)會減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMI噪聲、在器件陽極上產(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)。

　　在硅二極管的設(shè)計過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）。

　　肖特基二極管沒有少數(shù)載流子，因為它們只是由金屬材料接觸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)值時其IRR下降歸零速度的一個指標(biāo)。具有快速恢復(fù)功能的硅二極管在設(shè)計過程中通常采用少數(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)閉過程會在二極管的陽極產(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，它在二極管陽極上產(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)問世，因此工程師們應(yīng)該重新評估其PFC增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，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)計成本并且/或者提高設(shè)計性能。