Si整流器與SiC二極管：誰(shuí)與爭鋒

　　在當今的電氣設備中,功率半導體和電抗式元件(電容和電感)隨處可見(jiàn)。它們在正常工作過(guò)程中會(huì )在為其供電的交流電線(xiàn)上產(chǎn)生兩種不希望出現的副作用。

　　首先，這些器件會(huì )引起較小的功率因數。其次，它們會(huì )使線(xiàn)電流失真，引起電噪聲或者產(chǎn)生與線(xiàn)電壓之間的相位偏移。

　　功率因數是指實(shí)際使用的功率與交流線(xiàn)上產(chǎn)生的視在功率二者的比值。電氣設備中如果存在大電容或者電感就會(huì )導致視在功率大于實(shí)際使用的功率，出現較小的功率因數。

　　功率因數越小，在為設備供電的交流導線(xiàn)上損耗的電能就越多。如果設備中的功率半導體開(kāi)關(guān)操作非常頻繁，那么這種開(kāi)關(guān)操作就會(huì )引起交流線(xiàn)電流的失真和噪聲。在開(kāi)關(guān)電源中尤其如此。

　　某些國際標準(例如IEC 61000-3-2)針對各種類(lèi)型的電氣設備規定了可容許的線(xiàn)電流失真與功率因數的大小。實(shí)現功率因數補償最簡(jiǎn)單、最劃算的一種方法就是使用增強-轉換電路(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(shí)現功率因數補償最簡(jiǎn)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-轉換電路

　　增強二極管的性能

　　對于功率達到300W以上的設備，通常使用工作在連續導通模式(即CCM)下的增強轉換器。對于增強轉換器所需的兩種功率半導體器件——MOSFET和二極管，其中二極管具有相對較高的性能要求，因為它的反向恢復特性會(huì )影響MOSFET的性能。

　　在連續導通模式下，每當控制IC打開(kāi)MOSFET時(shí)，二極管就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)較高的正向電流。由于增強二極管在完全正向偏置的情況下會(huì )發(fā)生快速反偏，并且硅二極管的關(guān)閉需要一定的時(shí)間，因此在二極管關(guān)閉時(shí)流回二極管的反向恢復電流(IRR)就會(huì )非常大(參見(jiàn)圖2中的紅色曲線(xiàn))。

　　圖2 四種常見(jiàn)增強二極管(400V、5A、200A/μs、125℃)的反向恢復波形

　　流過(guò)MOSFET的反向電流升高了它的工作溫度。為此人們設計出了具有極低反向恢復時(shí)間(tRR)的專(zhuān)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(huì )出現突然關(guān)閉的現象(參見(jiàn)圖2中的黑色曲線(xiàn))。

　　低QRR和高軟化系數

　　肖特基二極管比PN結器件的行為特性更像一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)。肖特基二極管最重要的兩個(gè)性能指標就是它的低反向恢復電荷(QRR)和它的恢復軟化系數。

　　這兩個(gè)指標對于增強轉換器都非常重要。低QRR在二極管關(guān)閉時(shí)會(huì )產(chǎn)生較低的IRR。高軟化系數會(huì )減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMI噪聲、在器件陽(yáng)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增強轉換器的性能，但是硅肖特基二極管具有250V左右的反向電壓限制。由于增強二極管必須能夠耐受500～600V，因此人們開(kāi)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(lèi)硅器件的3～5倍)，因此很少有應用能夠用得起這種器件。

　　過(guò)去幾年中也出現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，它們的反向恢復性能可與SiC肖特基二極管媲美(參見(jiàn)圖2中的綠色曲線(xiàn))。

　　在PN結硅二極管發(fā)生反偏之前必須消除的QRR決定了在其關(guān)閉時(shí)能夠從中產(chǎn)生的IRR大小。QRR主要取決于PN結附近少數載流子的持續時(shí)間或壽命。

　　由于肖特基二極管僅僅是由金屬材料接觸N型半導體材料構成的，因此它們沒(méi)有少數載流子。當肖特基二極管發(fā)生反偏時(shí)，產(chǎn)生的低IRR來(lái)源于金屬與二極管體接觸電容的放電效應。

　　在硅二極管的設計過(guò)程中可以采用多種技術(shù)控制器件中少數載流子的壽命，但是迄今為止還無(wú)法匹配SiC二極管的低QRR。如圖2中的綠色曲線(xiàn)所示，最新的硅器件——Qspeed半導體公司的Q系列——能夠實(shí)現與SiC肖特基器件同樣低的IRR(如圖2中的藍色曲線(xiàn)所示)。

　　肖特基二極管沒(méi)有少數載流子，因為它們只是由金屬材料接觸N型半導體材料構成的。

　　軟化系數是衡量二極管達到最大負值時(shí)其IRR下降歸零速度的一個(gè)指標。具有快速恢復功能的硅二極管在設計過(guò)程中通常采用少數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(xiàn)所示)。這種快速的關(guān)閉過(guò)程會(huì )在二極管的陽(yáng)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(shí)出現的這些不希望發(fā)生的現象，我們需要精心設計慢速的電路。高軟化系數意味著(zhù)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值的速度。當二極管緩慢關(guān)閉時(shí)，它在二極管陽(yáng)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(wèn)世，因此工程師們應該重新評估其PFC增強轉換器的設計，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計成本并且/或者提高設計性能。