利用开关器件提高PFC效率的实现

图4所示为SiC肖特基二极管和硅二极管的反向恢复特性对比。在这个例子中，Fairchild公司的速复硅二极管按照tRR和VF区分为三种类型，隐形二极管具有快速反向回缩特性，超高速元件拥有最低的VF值。通过25℃时的反向恢复测试，硅二极管中出现了大量的反向恢复电流，而SiC肖特基二极管仅仅在电容中出现由p-n结反向偏压形成的位移电流。SiC肖特基和硅二极管的V-I特性曲线均为温度的涵数。正向电流较低时，温度升高时VF减小。在这个区域内，可观察到肖特基势垒两端的电流呈指数特性。当正向电流增加时，二极管的体电阻决定其正向偏置特性，并且肖特基二极管的VF随温度上升而增大。SiC肖特基二极管的带隙越大，本征载流子浓度和运行结温就越高。就原理而论，硅二极管的最高结温为150℃[8],而SiC肖特基二极管有可能达到600℃。运行温度的增加允许其重量、体积、成本和热量管理系统复杂性的全面减小。

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%)。

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%.

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。