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利用开关器件提高PFC效率的解决方案

利用开关器件提高PFC效率的解决方案

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    另外,由于SiC肖特基二极管具有正温度系数,因此与硅二极管相比,它们更适于在较高的电压下并联运行。SiC肖特基二极管的低QRR不仅减少二极管的开关损耗,而且能减少MOSFET的导通损耗,使CCM PFC达到很高的能效。就算SiC二极管中的正向电流比硅二极管大,上述情况仍然成立。在MOSFET的导通瞬间,SiC肖特基二极管优越的温度特性可以降低漏电流峰值。并且设计人员可以使用较小的MOSFET来减低成本。

    MOSFET/SiC二极管集成模块

    SiC,碳化硅又称金钢砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种,均为六方晶体,比重为3.20~3.25,显微硬度为2840~3320kg/mm2.碳化硅包括黑碳化硅和绿碳化硅,其中:黑碳化硅是以石英砂,石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉。

    使用高压SuperFET和一个SiC肖特基二极管组成的CCM PFC测试电路,具体地说,将Fairchild公司的600-VN沟道SuperFET MOSFET(FCA20N60)和6A SiC肖特基二极管组合,与平面型MOSFET(FQA24N50)和超高速二极管(RURP860)组合进行比较,比较内容为开关损耗与功效。此测试电路的工作频率100kHz,输出电压和电流分别为400V与1A.导通时SuperFET的栅电阻是12Ω,关断时为9.1Ω。

    分别测量MOSFET与二极管的电压和电流来估算元件的功率损耗。并且量测输入与输出功率来计算系统的功效。满负荷下,MOSFET信号波形由高电平向低电平跃迁时,输入为110Vac,开关损耗通过VDS与ID的交叉区来测量。SuperFET开关时间大大地降低。平面型MOSFET的关断损耗为159μJ,SuperFET为125μJ(减小34μJ或21%)。

    满负荷下,MOSFET信号波形由低电平向高电平跃迁时,输入为110Vac,在二极管与MOSFET中有5.3A的反向恢复电流通过(除电感电流以外),此电流来自于升压硅二极管。然而SiC肖特基二极管仅仅有1.2A的位移电流,可忽略不计。所以使用硅二极管时MOSFET的开通损耗为73.8μJ,使用SiC肖特基二极管时为28.9μJ(减少44.9μJ或61%)。

     

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    在此次测试中,满负荷下二极管信号波形由高电平向低电平跃迁时,输入为110Vac.硅二极管中的反向恢复电流峰值为5.3A,反向恢复电压峰值为500V.在同样情况下,SiC肖特基二极管中的反向恢复电流可忽略不计,反向恢复电压为450V.这两种MOSFET类型的不同动态特性形成不同的MOSFET开通损耗。由于SiC二极管的恢复时间为零,因此SiC肖特基二极管的关断损耗要比硅二极管低大约78%.

     

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    图5所示为开关损耗一览,将SuperFET与SiC肖特基二极管组合后,可有效减少开关损耗。与平面型MOSFET相比,SuperFET能够降低21%的关断损耗。与速复二极管相比,SiC二极管能够降低61%的开通损耗。当然,使用SiC肖特基二极管代替速复硅二极管与传统的MOSFET组合,可以使MOSFET的关断损耗降低78%,使其开通损耗降低23%.图6所示为不同器件组合的功效测量结果。从图中不难看出,在整个运行范围中,MOSFET/SiC肖特基二极管的组合对提高功效起到了很重要的作用。甚至在大电流时(满负荷低输入电压),改善的效果也很明显,在同样的情况下,MOSFET/SiC肖特基二极管组合的功效比传统器件高出4%.对于开关损耗的分析证明,通过减小SiC肖特基二极管的反向恢复电荷来减低MOSFET开通损耗,是提高功效的主要途径。最终结果是增加了CCM PFC下的功率密度。



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