碳化硅肖特基二極管在開關電源中的應用優(yōu)勢

為了設計效率和外形尺寸最優(yōu)的開關電源電路，二極管必須具備以下一些特性：反向恢復和正向恢復時間短；最小的儲存電荷Qrr；低漏電流和開關損耗。過壓和浪涌電流能力非常重要，它們能夠用來處理PFC中由啟動和交流回落引起的浪涌和過電流。這些特性只有用碳化硅肖特基二極管才能實現(xiàn)。

與采用Si或GaAS技術的傳統(tǒng)功率二極管相比，碳化硅肖特基二極管（SiC-SBD）可大幅降低開關損耗并提高開關頻率，同時可帶來比采用Si技術的肖特基二極管高得多的操作電壓范圍。利用碳化硅肖特基二極管，可在如PC、服務器以及移動電話基站等系統(tǒng)里采用可靠、緊湊并且開關頻率高的開關模式電源(SMPS)。碳化硅肖特基二極管中缺少正向和反向恢復電荷，因此可以用更小的MOSFET來降低成本，器件溫度也會降低，SMPS也可以得到更高的可靠性。由于開關損耗低，因此這些二極管可在高開關頻率下操作，而無需復雜的共振式開關電路或緩沖器。低開關損耗同樣使SMPS無需使用散熱片和風扇。由于碳化硅肖特基二極管的開關行為獨立于正向電流、開關速度（di/dt）和溫度，因此這種二極管在設計中得到了廣泛的使用。在設計中采用SiC肖特基二極管能夠實現(xiàn)最大的開關工作頻率（最高可達1MHz），從而可以使用更小體積的無源器件。

下面以碳化硅肖特基二極管在開關電源中的應用(并聯(lián))為例來說明碳化硅肖特基二極管的優(yōu)良特性。

1.碳化硅肖特基二極管實驗模塊

碳化硅肖特基二極管實驗的電路模型如圖1所示。它包括8個碳化硅肖特基二級管，這些二極管安裝在以Au-Si作為焊劑的銅負電極和以鋁作為等電位連接線的銅正電極及陶瓷襯底(AIN)上，碳化硅肖特基二極管和AIN之間使用了硅橡膠進行絕緣。在實驗中這8個二極管的固有參數(shù)不完全相同。

圖1 碳化硅肖特基二極管實驗模塊的電路模型

2.并聯(lián)連接實驗分析

對碳化硅肖特基二極管而言,并聯(lián)分流沒有問題,且碳化硅肖特基二極管幾乎沒有開關損耗,因此只考慮直流電流。在最壞的考慮下模擬碳化硅肖特基二極管并聯(lián)二極管諧振的情況。暫態(tài)分析的模型如圖2。

圖2 最壞情況下雙脈沖開關分析模型

因為在碳化硅肖特基二極管模塊中各個二極管的電流并不能直接測量出來，為了驗證直流電流各個二極管的分流情況,所以改測碳化硅肖特基二極管模塊各個二極管的表面溫度。并聯(lián)芯片之間的諧振也需要驗證，同樣，二極管的電流和電壓無法測量，所以測量模塊的電壓和電流。實驗結果表明，各個二極管的節(jié)溫上升的差別很小，如表1 所示。使用碳化硅肖特基二極管后使整個開關系統(tǒng)的損耗大大降低；同時，即使電路中分流不均勻，有諧振都不會造成非常大的影響。

表1 正向電壓和碳化硅肖特基二極管的結溫

3.結語

對電力電子器件而言，SiC材料的優(yōu)勢并不僅僅在于提高器件的耐壓能力。SiC電力電子器件要真正進入市場與硅器件競爭，更重要的一點是因為它在大幅度降低功率消耗方面具有巨大的潛力。已上市的碳化硅肖特基勢壘二極管和仍在實驗中的其他碳化硅功率器件都證實了這一點。碳化硅作為制造電力電子器件的一種新材料，它的節(jié)能優(yōu)勢迅速的在電力電子技術上得到了充分的發(fā)揮。SSiC與Si在電力電子技術領域競爭的另一優(yōu)勢是能夠兼顧器件的功率和頻率以及耐高溫。這些正好都是電力電子技術的進一步發(fā)展對器件提出的基本要求，而Si和GaAs在這些方面都有很大的局限性。

本文來源于:電子產(chǎn)品世界論壇從小就是電子迷