一種基于4H-SiC JBS 二極管的Boost 型PFC 電路

姜玉德 ,甘新慧 ,趙琳娜 ,顧曉峰

(1.江南大學 電子工程系 物聯網技術應用教育部工程研究中心,江蘇 無錫 214122;2.華潤微電子有限公司,江蘇無錫 214061)

功率因數校正(PFC)電路主要用于抑制電網的諧波分量,減少無功功率的產生,在開關電源中占據重要地位[1-2]。目前,開關電源的發展主要有兩個方向:(1)提高電路開關頻率;(2)降低系統損耗。傳統的硅(Si)基二極管因為反向恢復電流大,漏電流較高,在應用中會帶來較高的開關損耗,并且限制了電源系統向高頻化的方向發展[3]。

碳化硅(SiC)材料可以突破Si 基器件在導通電阻、反向恢復電荷、擊穿電壓等關鍵參數方面的限制,有助于實現小型化、高頻化和高效率的電力電子系統,因此SiC 器件的應用技術成為了電力電子領域的一個研究熱點[4-6]。Chen 等[7]采用SiC MOSFET 和SiC 二極管設計了不間斷電源系統,并針對器件散熱和寄生電感進行優化,在2000 W 的輸出功率下功率密度為58 W/in3,系統效率為98.3%。Al-Bayati 等[8]比較了幾種不同開關管和二極管組合下的非隔離DC-DC 電路的性能,驗證了選用SiC 肖特基二極管(SBD)和SiC 開關管組合有利于提高電路開關頻率和效率。Abbasi 等[9]提出了一種用于升壓轉換的無橋式AC-DC變換器,該變換器采用新型PFC 拓撲結構,并使用SiC MOSFET 和SiC 二極管來提高轉換效率。

4H-SiC 結勢壘肖特基(JBS)二極管可以直接取代Si 二極管在PFC 電路中的應用,具有零反向恢復的特點,并且可有效減小對周圍電路的電磁干擾,在電力電子領域極具潛力。目前針對SiC 器件的應用開發已取得較多成果,但大部分工作都以“開關管+二極管”的組合形式來提高電路性能,并未系統分析SiC JBS二極管在應用中相比于Si 二極管的優勢。基于此,本文設計并制備了4H-SiC JBS 二極管,測試比較了4HSiC JBS 二極管和Si 快恢復二極管(FRD)的關鍵電學參數,并分別基于兩者搭建了1000 W Boost 型PFC 樣機,證明了4H-SiC JBS 二極管可以明顯提高PFC 電路效率,降低電路的散熱要求。

1 4H-SiC JBS 器件制備

圖1(a)給出了本文設計制備的1200 V/10 A 4HSiC JBS 二極管的結構示意圖。JBS 二極管結合了SBD和PIN 二極管的優勢,通過改變元胞區中P+區的寬度和間距,可以改變器件的電學特性。在正向導通時,肖特基接觸的開啟電壓小于SiC PN 結開啟電壓,二極管的正向電學行為由熱發射機制主導;當器件承受反向電壓時,器件內部PN 結的耗盡區擴展相互連接,從而屏蔽肖特基接觸界面的高電場,反向行為表現為PN 結特性。因此,通過改變肖特基區與P+區的比值可以優化器件的電學參數[10-11]。與傳統的SBD 相比,JBS 二極管的反向漏電流更小,在應用中更具優勢。JBS 二極管的終端區域采用由多個P+環形成的場限環(FLR)結構,后一級環可以有效擴展上一級環的耗盡區,減弱器件主結邊緣的電場聚集效應。

制備JBS 器件時,首先將外延片進行RCA 標準清洗,然后通過光刻完成對位標記刻蝕,通過多次離子注入實現P+區的摻雜分布,再依次進行高溫退火、氧化、刻蝕、鈍化等工藝完成器件加工。制備的4H-SiC JBS 二極管器件實物如圖1(b)所示。

圖1 4H-SiC JBS 二極管結構Fig.1 Structure of the fabricated 4H-SiC JBS diodes

2 電學參數測試與分析

2.1 靜態參數測試

首先測試4H-SiC JBS 二極管和Si FRD 的靜態參數。在導通電流為10 A 時,兩種器件的正向壓降(VF)與溫度的關系如圖2 所示。可以看出,當器件結溫上升時,4H-SiC JBS 二極管的VF具有正溫度系數,而Si FRD 的VF與溫度負相關。4H-SiC JBS 二極管的正溫度特性適合在大功率電路中用作并聯二極管。當兩個并聯二極管的電流分布不均時,承擔電流較多的二極管結溫上升,器件導通電阻、正向壓降也隨之上升,使得流過二極管的電流減小,從而抑制電流分布不均的情況。反之,Si FRD 的負溫度特性會加劇電流分布不均的現象,影響電路工作的穩定性。

圖2 4H-SiC JBS 二極管與Si FRD 的正向壓降與溫度的關系Fig.2 Relationship between the forward voltage and temperature of 4H-SiC JBS diode and Si-based FRD

圖3 給出了不同溫度下Si FRD 和4H-SiC JBS 二極管的反向伏安(I-V)特性。從圖3(a)可以看出,Si FRD 的反向電流受溫度影響較大,當反向偏壓為400 V 時,測試溫度為25～125 ℃,反向漏電流從3.46×10-6A 上升至1.94×10-3A,增長近3 個數量級;當溫度高于75 ℃時,Si FRD 電流上升速度顯著提高。從圖3(b)可以看出,4H-SiC JBS 二極管受溫度影響較小,當反向偏壓在400 V 以下時,其反向電流一直保持在μA 級。可見,當兩種二極管工作在反向截止的狀態下時,與Si FRD 相比,4H-SiC JBS 二極管產生的截止損耗可忽略不計。

圖3 4H-SiC JBS 二極管與Si FRD 的反向變溫I-V 特性Fig.3 Temperature-variable reverse I-V characteristics of 4H-SiC JBS diode and Si-based FRD

2.2 反向恢復特性測試

4H-SiC JBS 二極管導通時多數載流子參與導電,不存在電荷存儲效應,因此關斷時沒有明顯的反向恢復電流,但由于器件內部結電容的放電導致存在少部分位移電流[12]。而Si FRD 正向導通時,少數載流子注入漂移區,漂移區中空穴和電子數目逐漸增多,載流子之間通過復合作用參與導電過程,因此當施加反向電壓時,儲存在漂移區的電荷需要一定時間才能完全消失,FRD 的這一特性即反向恢復特性。

圖4(a)為4H-SiC JBS 二極管與Si FRD 在不同溫度下的反向恢復電流特性。可以看出,當測試溫度從25 ℃升至125 ℃時,4H-SiC JBS 二極管的反向電流幾乎重合,反向恢復時間(Trr)僅為20 ns,體現出良好的反向恢復特性。對于Si FRD,當測試溫度從25 ℃升至125 ℃時,Trr從60.25 ns 升至209 ns,反向峰值電流(Irrm)也由7.95 A 升至12.7 A,說明Si FRD 的反向恢復特性隨溫度升高而變差。圖4(b)比較了兩種器件在不同溫度下對應的反向恢復電荷(Qrr)。可以發現,在150 ℃下,4H-SiC JBS 二極管的Qrr約為Si FRD的1.5%。

圖4 4H-SiC JBS 二極管與Si FRD 反向恢復特性比較Fig.4 Comparisons of reverse recovery characteristics between 4H-SiC JBS diode and Si FRD

當PFC 電路工作在連續導通模式下,二極管關斷產生的反向恢復電流流經開關管Q1,會增加開關管Q1 的開關損耗。隨著器件結溫的升高,由二極管反向恢復特性導致的損耗成為影響系統損耗的重要因素。此外,Si FRD 的反向恢復特性也限制了PFC 開關頻率的進一步提高[13]。

2.3 正向浪涌測試

電路系統在工作過程中,需要考慮到不穩定因素帶來的電流過載情況,此時二極管需要承受超過自身額定電流(IDM)幾倍甚至幾十倍的瞬態電流。這要求功率二極管除了具備低通態阻抗和高反向阻斷能力外,還需要具備一定的正向浪涌能力,即保證器件在經過高電流脈沖后仍能正常工作。Si FRD 的浪涌電流能力一般為20 倍的IDM,相比而言,大部分SiC 二極管的浪涌能力僅為4～6 倍的IDM。

針對上述問題,本文測試了4H-SiC JBS 二極管的正向浪涌能力。測試中施加脈寬為10 ms 的正弦半波高脈沖電流,若脈沖后器件參數正常,繼續加大電流峰值,直至器件失效。圖5 給出了4H-SiC JBS 二極管正向浪涌測試過程中的瞬態I-V特性。可以看出,在浪涌電流為120 A 時器件失效,4H-SiC JBS 二極管的浪涌電流超過11 倍的IDM,表明其在電路應用中具有足夠的浪涌耐受能力。

從圖5 中還可以看出,當浪涌電流小于60 A 時,器件正向導電主要由肖特基主導,表現為單極型導電機制;隨著電流繼續增加,正向電壓超過JBS 二極管中寄生PIN 二極管的開啟電壓,器件的正向導通特性由雙極型導電機制主導,主要表現為導通電阻隨電流增加呈下降趨勢[14-15]。

圖5 4H-SiC JBS 二極管的正向浪涌瞬態I-V 特性Fig.5 Transient I-V characteristics of 4H-SiC JBS diode under forward surge current

3 PFC 電路結構與損耗分析

3.1 PFC 電路拓撲結構

電網提供的交流電通常需要經過整流之后才能使用,而整流電路在工作中會產生大量的諧波和無功功率。PFC 電路的作用是強制輸入電流波形跟隨電壓變化,抑制諧波干擾,使功率因數接近于1。

圖6(a)所示為Boost PFC 電路的拓撲結構。當開關管Q1 處于導通狀態時,升壓二極管D1 處于截止狀態,承受反向輸出電壓VOUT;當Q1 關斷時,處于充電狀態的電感L 釋放電流,D1 正向導通。當D1 由導通切換到截止狀態,關斷瞬間會產生明顯的反向恢復電流,尤其是在開關頻率較高的情況下,會影響整個電路的效率。因此,在選擇升壓二極管時,要盡量選擇反向恢復時間短、反向電流小的器件。圖6(b)為搭建的1000 W PFC 樣機,用于測試比較4H-SiC JBS 二極管和Si FRD 作為升壓二極管時的性能表現。

圖6 PFC 電路結構與實物圖Fig.6 PFC circuit structure and physical photos

3.2 損耗分析方法

圖7 為PFC 電路一個完整的開關周期中,輸出二極管D1 的電流ID、電壓VD的變化示意圖。在一個完整的開關周期中,二極管每一階段產生的損耗可按照下述方法計算[16-17]:

圖7 輸出二極管的電壓、電流工作波形示意圖Fig.7 Schematic voltage and current waveforms of output diode

t0～t1:二極管開通階段,此時電路中開關管Q1關斷,電流由二極管D1 導通續流,D1 由截止狀態轉為開通狀態,該階段的損耗PD_ON可表示為:

t1～t2:正向導通階段,二極管正常工作,產生的損耗主要由通態電阻產生,該階段的損耗PD_CON可表示為:

式中:TON為D1 導通時間;VF為D1 導通時對應的正向壓降;IAV為該開關周期內的平均電流。

t2～t3:關斷階段,該階段二極管由導通切換到關斷狀態,關斷損耗PD_QRR主要由二極管的反向恢復特性引起。由式(3)可以看出,反向恢復電荷(Qrr)的大小直接影響器件的關斷損耗:

t3～t4:截止階段,此時D1 主要起反向阻斷作用,在一定的反向偏壓下存在漏電流。在阻斷狀態下產生的截止損耗PD_OFF可表示為:

4 PFC 電路實驗分析

在搭建的1000 W PFC 樣機上分別使用4H-SiC JBS 二極管和Si FRD 作為升壓二極管D1,電路控制芯片采用TI 公司的UCC28180,交流輸入電壓Vin=220 V,頻率f=50 Hz,輸出電壓Vout=387 V。固定電路開關頻率為50 kHz。系統輸出功率從400 W 升至1000 W,每次增加100 W,電路穩定運行后采集二極管的電壓、電流波形。圖8 所示為輸出功率1000 W時,4H-SiC JBS 二極管在PFC 電路中的單開關周期的波形(藍色代表電流,綠色代表電壓)。

圖8 4H-SiC JBS 二極管在PFC 電路中單開關周期的波形Fig.8 Single-switch cycle waveform of 4H-SiC JBS diode in PFC circuit

圖9(a)和(b)分別為4H-SiC JBS 二極管與Si FRD在輸出功率為1000 W 時的關斷波形。可以看出,Si FRD 的Irrm約為16 A,由于電流波形存在拖尾現象,其Trr超過200 ns;而4H-SiC JBS 的Irrm為6 A,且Trr約為20 ns,可見Si FRD 反向恢復產生的損耗高于4H-SiC JBS。

圖9 1000 W 輸出功率下二極管的關斷波形Fig.9 Turn-off waveform of diodes at an output power of 1000 W

圖10 給出了基于上述兩種器件的PFC 電路在不同輸出功率下的能量轉換效率η。在輸出功率為400～500 W 時,兩者的轉換效率非常接近;隨著功率逐漸加大到1000 W,使用Si FRD 的PFC 電路的能量轉換效率下降到97%,而使用4H-SiC JBS 二極管的PFC電路能量轉換效率為98.13%,始終維持在98%以上。因此,當PFC 電路滿載輸出時,相比于Si FRD,4HSiC JBS 二極管可以提高約1.13%的能量轉換效率。

圖10 能量轉換效率和輸出功率的關系Fig.10 Relationship between energy conversion efficiency and output power

圖11 給出了器件工作溫度與輸出功率之間的關系。可以看出,隨著輸出負載從400 W 增至1000 W,Si FRD 的器件溫度從36.2 ℃迅速上升至96.6 ℃,而4H-SiC JBS 二極管僅從27.8 ℃上升至47.8 ℃,兩者之間的結溫差隨輸出功率的增加逐漸加大。可見,在相同的電路應用中,4H-SiC JBS 二極管的散熱要求遠低于Si FRD,有利于顯著減小電路系統的散熱體積。

圖11 器件溫度和輸出功率的關系Fig.11 Relationship between device temperature and output power

5 結論

本文制備了1200 V/10 A 4H-SiC JBS 二極管,測試比較了4H-SiC JBS 與Si FRD 的電學特性,分析了電學參數對PFC 電路開關速度和損耗的影響。在此基礎上,采用4H-SiC JBS 二極管和Si FRD 分別搭建了1000 W Boost 型PFC 電路,開關頻率50 kHz,測試了輸出功率400～1000 W 范圍內兩種電路的整機效率和器件工作溫度。結果表明,基于4H-SiC JBS 二極管的PFC 電路在提升能量轉換效率和減少散熱體積方面有明顯優勢。