一种基于4H-SiC JBS 二极管的Boost 型PFC 电路

姜玉德 ,甘新慧 ,赵琳娜 ,顾晓峰

(1.江南大学 电子工程系 物联网技术应用教育部工程研究中心,江苏 无锡 214122;2.华润微电子有限公司,江苏无锡 214061)

功率因数校正(PFC)电路主要用于抑制电网的谐波分量,减少无功功率的产生,在开关电源中占据重要地位[1-2]。目前,开关电源的发展主要有两个方向:(1)提高电路开关频率;(2)降低系统损耗。传统的硅(Si)基二极管因为反向恢复电流大,漏电流较高,在应用中会带来较高的开关损耗,并且限制了电源系统向高频化的方向发展[3]。

碳化硅(SiC)材料可以突破Si 基器件在导通电阻、反向恢复电荷、击穿电压等关键参数方面的限制,有助于实现小型化、高频化和高效率的电力电子系统,因此SiC 器件的应用技术成为了电力电子领域的一个研究热点[4-6]。Chen 等[7]采用SiC MOSFET 和SiC 二极管设计了不间断电源系统,并针对器件散热和寄生电感进行优化,在2000 W 的输出功率下功率密度为58 W/in3,系统效率为98.3%。Al-Bayati 等[8]比较了几种不同开关管和二极管组合下的非隔离DC-DC 电路的性能,验证了选用SiC 肖特基二极管(SBD)和SiC 开关管组合有利于提高电路开关频率和效率。Abbasi 等[9]提出了一种用于升压转换的无桥式AC-DC变换器,该变换器采用新型PFC 拓扑结构,并使用SiC MOSFET 和SiC 二极管来提高转换效率。

4H-SiC 结势垒肖特基(JBS)二极管可以直接取代Si 二极管在PFC 电路中的应用,具有零反向恢复的特点,并且可有效减小对周围电路的电磁干扰,在电力电子领域极具潜力。目前针对SiC 器件的应用开发已取得较多成果,但大部分工作都以“开关管+二极管”的组合形式来提高电路性能,并未系统分析SiC JBS二极管在应用中相比于Si 二极管的优势。基于此,本文设计并制备了4H-SiC JBS 二极管,测试比较了4HSiC JBS 二极管和Si 快恢复二极管(FRD)的关键电学参数,并分别基于两者搭建了1000 W Boost 型PFC 样机,证明了4H-SiC JBS 二极管可以明显提高PFC 电路效率,降低电路的散热要求。

1 4H-SiC JBS 器件制备

图1(a)给出了本文设计制备的1200 V/10 A 4HSiC JBS 二极管的结构示意图。JBS 二极管结合了SBD和PIN 二极管的优势,通过改变元胞区中P+区的宽度和间距,可以改变器件的电学特性。在正向导通时,肖特基接触的开启电压小于SiC PN 结开启电压,二极管的正向电学行为由热发射机制主导;当器件承受反向电压时,器件内部PN 结的耗尽区扩展相互连接,从而屏蔽肖特基接触界面的高电场,反向行为表现为PN 结特性。因此,通过改变肖特基区与P+区的比值可以优化器件的电学参数[10-11]。与传统的SBD 相比,JBS 二极管的反向漏电流更小,在应用中更具优势。JBS 二极管的终端区域采用由多个P+环形成的场限环(FLR)结构,后一级环可以有效扩展上一级环的耗尽区,减弱器件主结边缘的电场聚集效应。

制备JBS 器件时,首先将外延片进行RCA 标准清洗,然后通过光刻完成对位标记刻蚀,通过多次离子注入实现P+区的掺杂分布,再依次进行高温退火、氧化、刻蚀、钝化等工艺完成器件加工。制备的4H-SiC JBS 二极管器件实物如图1(b)所示。

图1 4H-SiC JBS 二极管结构Fig.1 Structure of the fabricated 4H-SiC JBS diodes

2 电学参数测试与分析

2.1 静态参数测试

首先测试4H-SiC JBS 二极管和Si FRD 的静态参数。在导通电流为10 A 时,两种器件的正向压降(VF)与温度的关系如图2 所示。可以看出,当器件结温上升时,4H-SiC JBS 二极管的VF具有正温度系数,而Si FRD 的VF与温度负相关。4H-SiC JBS 二极管的正温度特性适合在大功率电路中用作并联二极管。当两个并联二极管的电流分布不均时,承担电流较多的二极管结温上升,器件导通电阻、正向压降也随之上升,使得流过二极管的电流减小,从而抑制电流分布不均的情况。反之,Si FRD 的负温度特性会加剧电流分布不均的现象,影响电路工作的稳定性。

图2 4H-SiC JBS 二极管与Si FRD 的正向压降与温度的关系Fig.2 Relationship between the forward voltage and temperature of 4H-SiC JBS diode and Si-based FRD

图3 给出了不同温度下Si FRD 和4H-SiC JBS 二极管的反向伏安(I-V)特性。从图3(a)可以看出,Si FRD 的反向电流受温度影响较大,当反向偏压为400 V 时,测试温度为25～125 ℃,反向漏电流从3.46×10-6A 上升至1.94×10-3A,增长近3 个数量级;当温度高于75 ℃时,Si FRD 电流上升速度显著提高。从图3(b)可以看出,4H-SiC JBS 二极管受温度影响较小,当反向偏压在400 V 以下时,其反向电流一直保持在μA 级。可见,当两种二极管工作在反向截止的状态下时,与Si FRD 相比,4H-SiC JBS 二极管产生的截止损耗可忽略不计。

图3 4H-SiC JBS 二极管与Si FRD 的反向变温I-V 特性Fig.3 Temperature-variable reverse I-V characteristics of 4H-SiC JBS diode and Si-based FRD

2.2 反向恢复特性测试

4H-SiC JBS 二极管导通时多数载流子参与导电,不存在电荷存储效应,因此关断时没有明显的反向恢复电流,但由于器件内部结电容的放电导致存在少部分位移电流[12]。而Si FRD 正向导通时,少数载流子注入漂移区,漂移区中空穴和电子数目逐渐增多,载流子之间通过复合作用参与导电过程,因此当施加反向电压时,储存在漂移区的电荷需要一定时间才能完全消失,FRD 的这一特性即反向恢复特性。

图4(a)为4H-SiC JBS 二极管与Si FRD 在不同温度下的反向恢复电流特性。可以看出,当测试温度从25 ℃升至125 ℃时,4H-SiC JBS 二极管的反向电流几乎重合,反向恢复时间(Trr)仅为20 ns,体现出良好的反向恢复特性。对于Si FRD,当测试温度从25 ℃升至125 ℃时,Trr从60.25 ns 升至209 ns,反向峰值电流(Irrm)也由7.95 A 升至12.7 A,说明Si FRD 的反向恢复特性随温度升高而变差。图4(b)比较了两种器件在不同温度下对应的反向恢复电荷(Qrr)。可以发现,在150 ℃下,4H-SiC JBS 二极管的Qrr约为Si FRD的1.5%。

图4 4H-SiC JBS 二极管与Si FRD 反向恢复特性比较Fig.4 Comparisons of reverse recovery characteristics between 4H-SiC JBS diode and Si FRD

当PFC 电路工作在连续导通模式下,二极管关断产生的反向恢复电流流经开关管Q1,会增加开关管Q1 的开关损耗。随着器件结温的升高,由二极管反向恢复特性导致的损耗成为影响系统损耗的重要因素。此外,Si FRD 的反向恢复特性也限制了PFC 开关频率的进一步提高[13]。

2.3 正向浪涌测试

电路系统在工作过程中,需要考虑到不稳定因素带来的电流过载情况,此时二极管需要承受超过自身额定电流(IDM)几倍甚至几十倍的瞬态电流。这要求功率二极管除了具备低通态阻抗和高反向阻断能力外,还需要具备一定的正向浪涌能力,即保证器件在经过高电流脉冲后仍能正常工作。Si FRD 的浪涌电流能力一般为20 倍的IDM,相比而言,大部分SiC 二极管的浪涌能力仅为4～6 倍的IDM。

针对上述问题,本文测试了4H-SiC JBS 二极管的正向浪涌能力。测试中施加脉宽为10 ms 的正弦半波高脉冲电流,若脉冲后器件参数正常,继续加大电流峰值,直至器件失效。图5 给出了4H-SiC JBS 二极管正向浪涌测试过程中的瞬态I-V特性。可以看出,在浪涌电流为120 A 时器件失效,4H-SiC JBS 二极管的浪涌电流超过11 倍的IDM,表明其在电路应用中具有足够的浪涌耐受能力。

从图5 中还可以看出,当浪涌电流小于60 A 时,器件正向导电主要由肖特基主导,表现为单极型导电机制;随着电流继续增加,正向电压超过JBS 二极管中寄生PIN 二极管的开启电压,器件的正向导通特性由双极型导电机制主导,主要表现为导通电阻随电流增加呈下降趋势[14-15]。

图5 4H-SiC JBS 二极管的正向浪涌瞬态I-V 特性Fig.5 Transient I-V characteristics of 4H-SiC JBS diode under forward surge current

3 PFC 电路结构与损耗分析

3.1 PFC 电路拓扑结构

电网提供的交流电通常需要经过整流之后才能使用,而整流电路在工作中会产生大量的谐波和无功功率。PFC 电路的作用是强制输入电流波形跟随电压变化,抑制谐波干扰,使功率因数接近于1。

图6(a)所示为Boost PFC 电路的拓扑结构。当开关管Q1 处于导通状态时,升压二极管D1 处于截止状态,承受反向输出电压VOUT;当Q1 关断时,处于充电状态的电感L 释放电流,D1 正向导通。当D1 由导通切换到截止状态,关断瞬间会产生明显的反向恢复电流,尤其是在开关频率较高的情况下,会影响整个电路的效率。因此,在选择升压二极管时,要尽量选择反向恢复时间短、反向电流小的器件。图6(b)为搭建的1000 W PFC 样机,用于测试比较4H-SiC JBS 二极管和Si FRD 作为升压二极管时的性能表现。

图6 PFC 电路结构与实物图Fig.6 PFC circuit structure and physical photos

3.2 损耗分析方法

图7 为PFC 电路一个完整的开关周期中,输出二极管D1 的电流ID、电压VD的变化示意图。在一个完整的开关周期中,二极管每一阶段产生的损耗可按照下述方法计算[16-17]:

图7 输出二极管的电压、电流工作波形示意图Fig.7 Schematic voltage and current waveforms of output diode

t0～t1:二极管开通阶段,此时电路中开关管Q1关断,电流由二极管D1 导通续流,D1 由截止状态转为开通状态,该阶段的损耗PD_ON可表示为:

t1～t2:正向导通阶段,二极管正常工作,产生的损耗主要由通态电阻产生,该阶段的损耗PD_CON可表示为:

式中:TON为D1 导通时间;VF为D1 导通时对应的正向压降;IAV为该开关周期内的平均电流。

t2～t3:关断阶段,该阶段二极管由导通切换到关断状态,关断损耗PD_QRR主要由二极管的反向恢复特性引起。由式(3)可以看出,反向恢复电荷(Qrr)的大小直接影响器件的关断损耗:

t3～t4:截止阶段,此时D1 主要起反向阻断作用,在一定的反向偏压下存在漏电流。在阻断状态下产生的截止损耗PD_OFF可表示为:

4 PFC 电路实验分析

在搭建的1000 W PFC 样机上分别使用4H-SiC JBS 二极管和Si FRD 作为升压二极管D1,电路控制芯片采用TI 公司的UCC28180,交流输入电压Vin=220 V,频率f=50 Hz,输出电压Vout=387 V。固定电路开关频率为50 kHz。系统输出功率从400 W 升至1000 W,每次增加100 W,电路稳定运行后采集二极管的电压、电流波形。图8 所示为输出功率1000 W时,4H-SiC JBS 二极管在PFC 电路中的单开关周期的波形(蓝色代表电流,绿色代表电压)。

图8 4H-SiC JBS 二极管在PFC 电路中单开关周期的波形Fig.8 Single-switch cycle waveform of 4H-SiC JBS diode in PFC circuit

图9(a)和(b)分别为4H-SiC JBS 二极管与Si FRD在输出功率为1000 W 时的关断波形。可以看出,Si FRD 的Irrm约为16 A,由于电流波形存在拖尾现象,其Trr超过200 ns;而4H-SiC JBS 的Irrm为6 A,且Trr约为20 ns,可见Si FRD 反向恢复产生的损耗高于4H-SiC JBS。

图9 1000 W 输出功率下二极管的关断波形Fig.9 Turn-off waveform of diodes at an output power of 1000 W

图10 给出了基于上述两种器件的PFC 电路在不同输出功率下的能量转换效率η。在输出功率为400～500 W 时,两者的转换效率非常接近;随着功率逐渐加大到1000 W,使用Si FRD 的PFC 电路的能量转换效率下降到97%,而使用4H-SiC JBS 二极管的PFC电路能量转换效率为98.13%,始终维持在98%以上。因此,当PFC 电路满载输出时,相比于Si FRD,4HSiC JBS 二极管可以提高约1.13%的能量转换效率。

图10 能量转换效率和输出功率的关系Fig.10 Relationship between energy conversion efficiency and output power

图11 给出了器件工作温度与输出功率之间的关系。可以看出,随着输出负载从400 W 增至1000 W,Si FRD 的器件温度从36.2 ℃迅速上升至96.6 ℃,而4H-SiC JBS 二极管仅从27.8 ℃上升至47.8 ℃,两者之间的结温差随输出功率的增加逐渐加大。可见,在相同的电路应用中,4H-SiC JBS 二极管的散热要求远低于Si FRD,有利于显著减小电路系统的散热体积。

图11 器件温度和输出功率的关系Fig.11 Relationship between device temperature and output power

5 结论

本文制备了1200 V/10 A 4H-SiC JBS 二极管,测试比较了4H-SiC JBS 与Si FRD 的电学特性,分析了电学参数对PFC 电路开关速度和损耗的影响。在此基础上,采用4H-SiC JBS 二极管和Si FRD 分别搭建了1000 W Boost 型PFC 电路,开关频率50 kHz,测试了输出功率400～1000 W 范围内两种电路的整机效率和器件工作温度。结果表明,基于4H-SiC JBS 二极管的PFC 电路在提升能量转换效率和减少散热体积方面有明显优势。