探讨硅、硅-肖特基及碳化硅肖特基

04/25/2021 Asia Knowledge

碳化硅(SiC)在功率电子产品中的使用正在加速增长,因为与硅(Si)器件相比,碳化硅器件可以降低这些产品的功耗和开关损耗, 还兼具外形尺寸紧凑和价格下跌的优势,使其对于功率半导体开发人员的吸引力越来越大。

在功率电子领域,要求在电压更高的情况下开关性能更出色。为工业电机控制系统、可再生能源发电和电动汽车等应用选择组件时,空间要求、重量和效率也是关键因素。目的是在最大程度地提高应用品质的同时,也最大程度地降低成本和工作量。

 

虽然硅二极管通常是这些选择的标准产品,然而,使用碳化硅材料的组件具有明显的优势,特别是在600 V以上电压的应用中。由于电路应用中的高性能组件始终使用脉冲电流,因此它们还需要考虑开关损耗以及反向恢复电流产生的电磁干扰(EMI)。

 

开关损耗和正向电压损耗

 

每个开关过程(例如,打开或关闭组件时)都会产生开关损耗。随着开关频率的增加,相应的损耗也随之增加,因此系统的整体功率损耗也随之增加了。这就是为什么当开关频率较高时,系统的总体功率损耗中的很大一部分是来自于开关损耗。如果在这些应用中使用硅组件,便会出现高功率损耗和产生热量,将会要求限制负载电流或实施昂贵的冷却措施。

 

就网络频率而言,正向电压损耗起着更大的作用,而当开关频率达到几百赫兹以上时,所产生的开关损耗将占据主导地位。

 

反向电压很高时,反向电压损耗也起着作用,特别是在高温下。碳化硅肖特基(SiC Schottky)二极管在这些情况下是理想的选择,因为它们的反向恢复电流非常低,反向恢复时间也较短,这可以大大减少相关的能量损耗。

 

计算总体损耗的公式如下:

 

Pl = Ps + Pt + Pr    (开关损耗+正向电压损耗+反向恢复损耗)

 

在正向偏压下,二极管的功率损耗随着正向电流上升而增加;在反向偏压下则保持恒定。因此,在升压器中,碳化硅肖特基二极管的泄漏电流(IR)占据了总损耗的重要部分,而输出电流很低。

 

另一方面,在高电流下,正向电压(UF)是主要因素。由于肖特基二极管的大部分时间都处于反向偏置工作,因此反向恢复电流会对二极管的功率损耗产生重大影响,因此仅仅保持二极管的正向电压尽可能低是不够的。考虑串联IR和UF并评估它们如何影响二极管的总损耗,具有很大的意义。

 

升压器的输出电压越高,接通时间越长,肖特基二极管保持反向偏置的时间就越长。使用肖特基二极管降低正向电压会增加残余反向电流,因此有必要找到理想的二极管选择。

 

因此,在选择二极管时,必须使正向电压损耗、开关损耗和电荷最小化,同时还要使击穿电压和软换向最大化,这一点至关重要。为了确保良好的能源效率,考虑总体功率损耗而不是单个模块参数,通常使用肖特基二极管是更合情合理的方法。

 

由于其较低的开关损耗,并且在关闭二极管时不存在反向电流尖峰,因此碳化硅肖特基二极管的效率要比硅二极管高得多,相应地也减少了无线电干扰,并改善了整个系统的电磁行为。

 

工作温度和散热设计

 

散热设计在功率电子系统中起着关键作用,以确保高功率密度,从而可以实现更紧凑的电力系统。在高电流下,硅肖特基二极管容易产生过多的热量。高热量和高泄漏电流(IR)的结合会导致封装和环境温度的升高。因此,不正确的散热设计可能会产生无法散发的热量,结果可能导致热失控,即热量的快速累积,可能会损坏组件,甚至可能损坏整个系统。

 

碳化硅肖特基二极管的温度关系与硅肖特基二极管的温度关系存在很大的差异。碳化硅的热导率几乎是硅的三倍,这使得碳化硅非常适合更高的工作温度。当使用碳化硅功率半导体工作时,较少的热损失也带来了更高的效率和更小的散热片,从而减低了应用产品的空间要求及其重量。

 

在较高温度下,当正向电压(Vf)随着工作电阻而增加时,这有助于防止热失控,从而使得碳化硅肖特基二极管也可以并联连接使用。由于其正温度系数,它们也比硅二极管更适合于高压下的并联电路。

 

功率因数校正

 

欧洲标准EN 61000-3-2规定了公开出售的有功功率设备的电源电流谐波含量的限制,还定义了功率超过75 W的限制和例外。实际上,这意味着在许多情况下,基础AC/DC转换都不允许使用带有后续滤波功能的桥式整流器,因为这种情况下的电源电流是脉冲式的,并且谐波含量较高。使用称为功率因数预调节器或功率因数校正器(PFC)的升压器,可使其大致保持为正弦波。

 

对于性能非常高的PSU,连续导通模式控制器(CCM-PFC)是首选的有源拓扑,此设计对反激二极管有以下要求:

 

•低反向恢复时间/电荷(trr/Qrr),以减少MOSFET的导通损耗和二极管的开关损耗

•低正向电压(Vf),以减少传导损耗

•柔和的反向恢复曲线,可减少电磁辐射

 

因此,在这种情况下,碳化硅肖特基二极管是理想的解决方案。

 

适合各种应用的最佳二极管

 

硅二极管是低压应用的首选。另一方面,在600 V至1200 V的高压应用中,碳化硅二极管具有明显的技术优势,因此成本更高也是值得的。在200–600 V电压范围内,开关频率和电流是关键因素。碳化硅二极管在各种应用中都需要,包括用于电动汽车和车载充电器(OBC)的充电站,用于电动和混合动力汽车的功率转换器,开关模式电源单元和PFC电路,以及用作电感器和MOSFET/IGBT的反激二极管,还有用作太阳能和风能的DC/AC转换器中的逆变器。

 

儒卓力提供来自意法半导体的超快速高压二极管。它们是成本敏感型应用的理想选择,并且具有低正向电压,适合用于交流整流桥的输入。这些STTHxx 硅二极管设计是用于600 V至1,200 V的电压范围且电流容量为5A至30A。

 

具有碳化硅衬底的肖特基整流二极管STPSC10H12则具有低的正向电压和1200 V的额定电压,这要归功于该材料的带隙较大。由于采用了肖特基设计,因此在关断期间没有反向恢复时间,并且振荡趋势可以忽略不计。它们的最小电容关断行为与温度无关。碳化硅二极管STPSC10H12特别适合在PFC和次级应用中使用,并在硬开关条件下可以提高性能。此外,它在–40°C至+ 175°C结温范围工作。还提供STPSC10H12-Y形式的汽车使用AEC-Q101认证型款,该型款产品也支持PPAP。

 

意法半导体的STPSC10H12 碳化硅二极管特别适合在PFC和次级应用中使用,并在硬开关状况下可以提高性能。

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