SiC肖特基二極管提高升壓型交換器性能

  開關型電源(SMPS)在通常便攜式計算機中占總重量的10%以上,因此,廠商們致力于提高功率密度和效率。為減小尺寸和重量,目前有三種方法:
  ①減小總功耗,以減小冷卻部件(散熱片或風扇)。
  ②提高開關頻率,以減小無源元件尺寸和減小用來降低噪音的EMI濾波器尺寸。
  ③選用SiC肖特基二極管,以降低總功耗,提高開關頻率,減小元件尺寸。
 
  SMPS的開關頻率對功耗的影響很大。如果采用軟開關技術,能使半導體的導通或關斷不出現突變,可降低器件的開關損耗,并允許較高的開關頻率,但是需要附加無源元件。如果采用傳統的硬開關技術,則其體積比軟開關技術小很多。但是半導體器件的開關損耗限制了工作頻率。換句話說,硬開關電源中的功率半導體器件必須顯著地降低功耗才能達到較高的工作頻率。這樣,采用單極器件,如MOSFET和肖特基二極管比用雙極器件有利,因為前者沒有少子存貯效應。因此,理論上開關瞬態只受很小的寄生電容影響,器件開關的轉換時間減小了,亦即減小了轉換時間內同時出現的很高的瞬時電流和電壓,可使開關損耗減至最小。硅肖特基二極管和標準的“超快速”功率二極管相比,前者具有低的正向壓降和較好的正向和反向恢復特性。但是,較低的擊穿電壓限制它只能用于低壓范圍。   SIC肖特基二極管改變了上述情況。SiC具有很高的阻塞電壓(達到3500V),比Si的帶隙高3倍,擊穿場高10倍,而熱導率和銅相當。
 
  這樣,以功率MOSFET和SIC肖特基二極管組合的硬開關電路來發展高開關頻率電路是可行的。
 
  實驗結果
  英飛凌公司對硬開關的400W CCM PFC(連續傳導型功率因數修正)升壓型變換器進行了性能評價,變換器性能如下:
  ·寬輸入電壓范圍:85~265V
  ·輸出功率:400W
  ·輸出電壓:385V
  ·功率因數滿足:EN61000-3-2
  ·傳導輻射滿足:EN55011-B
  ·SIC肖特基二極管:SDP04S60
  ·C001 MOS開關:SPP20N60C3
  ·測量變換器的效率:140kHz時達到93%,500kHz時降到91.5%?？偣姆謩e是28W和34W。
 
  實驗表明,提高開關頻率出現以下情況:
  ·EMI濾波器,線路整流橋和分流電阻的功耗不變,因此這些元件的尺寸可以不變。
  ·繞組損耗較低,PFC扼流圈功耗小,因此,它們的體積可進一步減小。
  ·體電容引入較大的功耗,由于鎖定(hold up)要求,故其容量和體積維持不變。
  ·功率半導體的開關損耗顯著增加,因此仍需增大散熱片。
 
  此外,在不同開關頻率時,使用不同二極管的變換器總功耗也相同,例如:
  ·在140kHz時,用SIC肖特基二極管取代普通超快速二極管,在輸出功率400W時,可以降低總功耗8.7W,提高效率約2%。
  ·用140kHz的SIC肖特基二極管取代70kHz的普通超快速二極管,可降低總功耗4W,提高效率1%以上。
  ·用350kH的SIC肖特基二極管取代70kHz的普通超快速二極管,若維持相同的功耗和散熱片,則可減小PFC扼流圈體積65%。




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