超越SiC二极管性能的硅整流器

    SiC二极管与硅整流器哪个更有优势？我们试着分析一下。

    在当今的电气设备中,功率半导体和电抗式元件（电容和电感）随处可见。它们在正常工作过程中会在为其供电的交流电线上产生两种不希望出现的副作用：首先，这些器件会引起较小的功率因数。其次，它们会使线电流失真，引起电噪声或者产生与线电压之间的相位偏移。

　　功率因数是指实际使用的功率与交流线上产生的视在功率二者的比值。电气设备中如果存在大电容或者电感就会导致视在功率大于实际使用的功率，出现较小的功率因数。功率因数越小，在为设备供电的交流导线上损耗的电能就越多。如果设备中的功率半导体开关操作非常频繁，那么这种开关操作就会引起交流线电流的失真和噪声。在开关电源中尤其如此。

　　某些国际标准（例如IEC61000-3-2）针对各种类型的电气设备规定了可容许的线电流失真与功率因数的大小。实现功率因数补偿最简单、最划算的一种方法就是使用增强-转换电路（如图1所示），这种电路能够产生比输入电压更高的输出电压。

图1 实现功率因数补偿最简单、最划算的一种方法就是使用能够产生比输入电压更高的输出电压的增强-转换电路

　　增强二极管的性能

　　对于功率达到300W以上的设备，通常使用工作在连续导通模式（即CCM）下的增强转换器。对于增强转换器所需的两种功率半导体器件——MOSFET和二极管，其中二极管具有相对较高的性能要求，因为它的反向恢复特性会影响MOSFET的性能。

　　在连续导通模式下，每当控制IC打开MOSFET时，二极管就会产生一个较高的正向电流。由于增强二极管在完全正向偏置的情况下会发生快速反偏，并且硅二极管的关闭需要一定的时间，因此在二极管关闭时流回二极管的反向恢复电流（IRR）就会非常大（参见图2中的红色曲线）。

图2 四种常见增强二极管（400V、5A、200A/μs、125℃）的反向恢复波形

　　流过MOSFET的反向电流升高了它的工作温度。为此人们设计出了具有极低反向恢复时间（tRR）的专用硅二极管，但是它们能够降低的IRR通常都很有限，经常会出现突然关闭的现象（参见图2中的黑色曲线）。

　　低QRR和高软化系数

　　肖特基二极管比PN结器件的行为特性更像一个理想的开关。肖特基二极管最重要的两个性能指标就是它的低反向恢复电荷（QRR）和它的恢复软化系数。

　　这两个指标对于增强转换器都非常重要。低QRR在二极管关闭时会产生较低的IRR。高软化系数会减少二极管关闭所产生的EMI噪声、在器件阳极上产生的电压脉冲峰值，降低换向操作干扰PFC控制IC的可能性。

　　肖特基二极管的局限性

　　肖特基二极管能够大大提高PFC增强转换器的性能，但是硅肖特基二极管具有250V左右的反向电压限制。由于增强二极管必须能够耐受500～600V，因此人们开始使用碳化硅（SiC）器件，这种化合物能够耐受较高的电压。但是，由于SiC器件的成本较高（是同类硅器件的3～5倍），因此很少有应用能够用得起这种器件。

　　过去几年中也出现了性能更好的硅二极管，但是它们的性能都比不上SiC肖特基器件。最近，人们研制出了一系列新型的硅整流器，它们的反向恢复性能可与SiC肖特基二极管媲美（参见图2中的绿色曲线）。

　　在PN结硅二极管发生反偏之前必须消除的QRR决定了在其关闭时能够从中产生的IRR大小。QRR主要取决于PN结附近少数载流子的持续时间或寿命。

　　由于肖特基二极管仅仅是由金属材料接触N型半导体材料构成的，因此它们没有少数载流子。当肖特基二极管发生反偏时，产生的低IRR来源于金属与二极管体接触电容的放电效应。

　　在硅二极管的设计过程中可以采用多种技术控制器件中少数载流子的寿命，但是迄今为止还无法匹配SiC二极管的低QRR。如图2中的绿色曲线所示，最新的硅器件——Qspeed半导体公司的Q系列——能够实现与SiC肖特基器件同样低的IRR（如图2中的蓝色曲线所示）。

　　肖特基二极管没有少数载流子，因为它们只是由金属材料接触N型半导体材料构成的。

　　软化系数是衡量二极管达到最大负值时其IRR下降归零速度的一个指标。具有快速恢复功能的硅二极管在设计过程中通常采用少数载流子寿命控制技术，使得 IRR能够陡峭下降（如图2中的黑色曲线所示）。这种快速的关闭过程会在二极管的阳极产生大量EMI噪声和较大的电压尖脉冲。

　　为了抵消使用快速二极管时出现的这些不希望发生的现象，我们需要精心设计慢速的电路。高软化系数意味着二极管的IRR归零的变化速度（di/dt）等于或小于它上升到最大负值的速度。当二极管缓慢关闭时，它在二极管阳极上产生的EMI噪声较少，产生的电压尖脉冲也较低，而且不容易干扰控制IC的工作。

　　能够与SiC肖特基二极管相匹敌的硅整流器目前已经问世，因此工程师们应该重新评估其PFC增强转换器的设计，看一看在使用这些具有与SiC同样性能的新型硅器件之后是否能够降低设计成本并且/或者提高设计性能。