基于SiC器件的大功率交错并联Buck电路

栾晓腾，段福兴，夏东伟

（青岛大学自动化与电气工程学院，青岛266071）

近些年，能源问题愈发严重，电力电子变换器的效率问题越来越引起注意。碳化硅（SiC）器件具有阻断电压高、通态电阻低、损耗小而且耐高温等优势，能够提高变换器的效率并减小其体积，因此受到了广泛关注。交错并联技术由相同的供电电路相互并联，两个电路依次错开1/2个周期，交错并联之后电流纹波大大减小，输出电流的纹波频率为原来的2倍。在同等输出条件下，交错并联电路中的滤波电感、开关管、二极管上承受的电流比传统Buck要小，从而减小了开关损耗。基于SiC器件的交错并联Buck电路，能有效地降低开关损耗，加快响应速度，具有更广阔的前景[1-2]。

为了具体地体现SiC器件的性能优势，本文将对SiC MOSFET与Si IGBT、SiC二极管与Si二极管的特性进行分析比较。由于所搭建电路的输入电压为700 V，输出电压为220 V，因此高耐压等级的Si MOSFET在提高器件阻断电压时，必须加宽器件的漂移区，这会使其内阻迅速增大，在实际过程中效率偏低。因此本文不将Si MOSFET列入对比。

1 SiC的特性及器件优势

SiC半导体器件具有宽禁带（3.0 eV）、高热导率（3.3～4.9 W/（cm·K））、高电压击穿场强（2.4 MV/ cm）与低导通阻抗（1mΩ/cm）的特性。禁带越宽，半导体能承受的最大电压越大，最高工作温度越高。同时，SiC的热导率与导通电阻都比Si器件要好，这决定了在高温、高频率、高功率的应用场合，SiC器件是理想的下一代电力电子器件[3-5]。

1.1 SiC二极管的性能优势

1.1.1 反向特性

尽管Si二极管可以达到比较高的开关频率、较低的正向压降，但在从正向切换到反向的瞬间会产生极大的瞬态电流，从而产生很大的损耗。SiC二极管不使用少数载流子进行电传导，因此不会产生少数载流子集聚。图1为不同温度下SiC二极管与Si二极管的反向恢复特性，图2为相同温度不同正向电流情况下SiC二极管与Si二极管的反向恢复特性。通过对比可知，SiC二极管的反向恢复速度与反向恢复电流不会因正向电流和温度的改变产生太大变化。

图1 不同温度SiC与Si的反向恢复特性曲线Fig.1 Reverse recovery characteristic curves of SiC and Si at different temperatures

图2 不同正向电流下SiC与Si反向恢复特性Fig.2 Reverse recovery characteristics of SiC and Si under different forward currents

1.1.2 损耗对比

为了进一步说明SiC器件的优势，对电路中的二极管进行理论计算，公式为

式中：Pon为导通损耗；Poff为阻态损耗；Prr为开关损耗；D为开关导通占空比；Uf和If分别为正向导通压降和电流；Ur和Ir分别为反向截止电压和电流；Qrr为二极管结电荷；fs为开关频率。交错并联Buck电路每路的输入电压为700 V，输出电压为220 V，开关频率为40 kHz，占空比为31.4%。根据器件资料中25℃条件下的相关数据，器件参数以及损耗理论计算结果如表1所示。

表1 损耗计算的对应参数及计算结果Tab.1 Parameters in calculation of loss and the corresponding results

由理论计算结果可知，在相同工况下，SiC二极管C4D40120D的损耗要比Si二极管APT60D120B小，而总的损耗为Si二极管的1/2，在更高的频率上优势将会更加明显。

1.2 SiC MOSFET与Si IGBT静态分析

Si MOSFET中，器件耐压越高，单位面积的导通电阻也越大 （以耐压值的2～2.5次方的比例增加），因此600 V以上的电压中主要采用IGBT。IGBT通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比 MOSFET还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在关断时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。SiC器件漂移层的阻抗相对较低，因此能实现高耐压与低阻抗。而且MOSFET原理上不会产生尾电流，所以用SiC MOSFET代替Si IGBT可以明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。

根据测试电路的相应参数，选取型号为C2M 0160120D的SiC MOSFET与型号为APT45GP120 B2DQ2G的Si IGBT做导通特性对比。

图3 不同温度下SiC MOSFET、Si MOSFET、Si IGBT导通特性曲线Fig.3 Conduction characteristic curves of SiC MOSFET, Si MOSFET and Si IGBT at different temperatures

图3为在合适栅电压的条件下，SiC MOSFET（1 200 V，Vgs=18 V）、Si MOSFET （900 V，Vgs=10 V）、Si IGBT（1 200 V，Vgs=15 V）不同温度下的导通特性曲线。根据对比，SiC MOSFET从很小电流到大电流都能实现低损耗的导通；而IGBT在低电流时损耗相对较大。在150℃条件下，Si MOSFET的导通损耗上升到25℃的2倍以上，而SiC MOSFET上升率不高，因此在热设计时更加方便，导通损耗也相对较低。通过对比，进一步验证了在大功率条件下，Si MOSFET并没有竞争优势。

图4为Si MOSFET与Si IGBT在相同温度、不同栅极电压情况下的导通特性，从图4（a）可以看出，在栅极电压VGS＞18 V时，特性曲线斜率（导通电阻）变化很小。图4（b）所示，栅极电压VGE大于11 V特性曲线斜率就基本稳定。这是因为器件不同的跨导特性导致，SiC MOSFET的导通沟道迁移率比较低，因而沟道内部阻抗相对Si器件要高，为了获取较低的导通阻抗，需要加大栅极电压，在测试电路中，SiC MOSFET的驱动电压为20 V。

图4 SiC MOSFET与SiC IGBT的导通特性曲线Fig.4 Conduction characteristic curves of SiC MOSFET and SiC IGBT

2 交错并联Buck电路分析

2.1 交错并联Buck电路原理

交错并联技术可以有效地减小输出纹波，其原理如图5所示，主电路采用两路Buck并联，通过控制电路使得S1、S2与S3、S4脉宽相同，导通时间相差半个周期，实现交错并联。

图5 交错并联Buck原理Fig.5 Schematic of interleaving Buck

为了进一步的降低开关管的损耗，在每一路的Buck电路中采用2个开关管并联的方式，开关同步。一个开关周期内的工作过程分为4个阶段。

第1阶段：S1、S2导通，S3、S4关断；D1截止D2导通续流；L1储能的同时电流升高，C储能。

第2阶段：S1、S2关断，S3、S4关断；D1、D2导通续流；L1、L2电流减小，C放电。

第3阶段：S1、S2关断，S3、S4导通；D1导通续流D2截止；L2储能的同时电流升高，C储能。

第4阶段：S1、S2关断，S3、S4关断；D1、D2导通续流；L1、L2电流减小，C放电。

2.2 电路静态分析

交错Buck变换器的开关管和二极管的电压应力均为输入电压，但是其电流应力为输出电流的1/4，减小了开关损耗。采用交错控制后，输出电流io的脉动小于单个滤波电感电流脉动，定量分析如下。

单个Buck变换器电感电流脉动为

从图5可以看出，当开关管同时关断时，两电感电流同时下降，这段时间内电感电流下降量之和就是io的脉动量，即

由式（2）可知，交错并联Buck电路因其结构降低了输出电流的纹波。综上，本文所用的交错并联拓扑在降低开关应力与电流纹波的方面有明显效果，还能够降低电路的损耗以及输出电容容量。

3 实验验证

根据上述理论分析，搭建了实验平台。电路参数为：输入电压700 V，输出电压220 V，输出电流范围为0～45 A，开关频率为40 kHz。样机满载运行时的波形如图6～图8所示。从图6可知，SiC二极管反向恢复速度更快，实验结果验证了SiC二极管可减小反向恢复时间，降低了开关损耗。

从图7可知，SiC MOS管的关断延迟时间为20 ns，而Si IGBT为120 ns，并且伴有严重的拖尾电流，所以Si IGBT关断损耗更大。由于SiC MOS管的开关速度较快，在关断时Vds会有100 V左右的振荡。对比图8可知；IGBT开通时间较长，电流波动较大，故开通损耗较SiC MOS管大。

图6 SiC二极管与Si二极管反向恢复电流波形Fig.6 Reverse recovery current waveforms of SiC and Si diodes

图7 SiC MOSFET与Si IGBT关断波形Fig.7 Turn-off waveforms of SiC MOSFET and Si IGBT

图8 SiC MOSFET与Si IGBT开通波形Fig.8 Turn-on waveforms of SiC MOSFET and Si IGBT

图9为SiC MOSFET与Si IGBT的损耗对比，可见，SiC MOSFET导通损耗与开关损耗均低于Si IGBT，在同等条件下，SiC MOSFET的温度要比Si IGBT低15℃。由于开关损耗会导致器件的结温上升，而器件结温的上升反过来会增加开关损耗；因此SiC器件良好的热导率就会进一步降低损耗。

图10为2种器件在不同电路中的效率对比，在开关频率40 kHz条件下，SiC器件在交错并联电路中相对于Si器件满载效率有1%的提升，在普通Buck电路中无论是SiC器件还是Si器件，其电路效率都有明显的降低。这说明，在相同条件下，SiC交错并联Buck电路有明显的效率优势。图11为交错并联Buck电路下的电感电流，由于两电感电流的交错作用，电路总电流的纹波得到了大幅度的降低。

图9 SiC MOSFET与Si IGBT损耗对比Fig.9 Comparison of lose between SiC MOSFET and Si IGBT

图10 2种器件在不同电路下的效率对比Fig.10 Comparison of efficiency among different devices in different circuits

图11 交错并联Buck电路电感电流Fig.11 Inductor current of interleaving Buck circuit

4 结语

本文基于交错并联Buck电路，对比了SiC MOSFET和SiC二极管以及Si IGBT和Si二极管的静态特性和开关特性，分别对其进行了理论分析与实验验证，还搭建了相应的Buck电路进行了对比验证。分析结果可知，SiC功率器件具有开关损耗低、热导性好、无反向电流等优点；交错并联Buck电路具有减小开关电流应力、降低输出电流纹波等优势，两者的结合对提高电路整体效率、减小电路体积具有很好的效果，在未来的实际应用中有更广的前景。

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