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。它们在正常作业进程中会在为其供电的沟通电线上发生两种不期望呈现的副作用。
首要,这些器材会引起较小的功率因数。其次,它们会使线电流失真,引起电噪声或许发生与线电压之间的相位偏移。
功率因数是指实际运用的功率与沟通线上发生的视在功率二者的比值。电气设备中假如存在大电容或许电感就会导致视在功率大于实际运用的功率,呈现较小的功率因数。
功率因数越小,在为设备供电的沟通导线上损耗的电能就越多。假如设备中的功率半导体开关操作十分频频,那么这种开关操作就会引起沟通线电流的失真和噪声。在开关电源中特别如此。
某些国际标准(例如IEC 61000-3-2)针对各种类型的电气设备规则了可容许的线电流失真与功率因数的巨细。完成功率因数补偿最简略、最合算的一种办法便是运用增强-转化电路(如图1所示),这种电路可以发生比输入电压更高的输出电压。
图1 完成功率因数补偿最简略、最合算的一种办法便是运用可以发生比输入电压更高的输出电压的增强-转化电路
增强二极管的功用
关于功率到达300W以上的设备,一般运用作业在接连导通形式(即CCM)下的增强转化器。关于增强转化器所需的两种功率半导体器材——MOSFET和二极管,其间二极管具有相对较高的功用要求,由于它的反向康复特性会影响MOSFET的功用。
在接连导通形式下,每逢操控IC翻开MOSFET时,二极管就会发生一个较高的正向电流。由于增强二极管在彻底正向偏置的情况下会发生快速反偏,而且硅二极管的封闭需求必定的时刻,因而在二极管封闭时流回二极管的反向康复电流(IRR)就会十分大(参见图2中的赤色曲线)。
图2 四种常见增强二极管(400V、5A、200A/μs、125℃)的反向康复波形
流过MOSFET的反向电流升高了它的作业温度。为此人们规划出了具有极低反向康复时刻(tRR)的专用硅二极管,可是它们可以下降的IRR一般都很有限,常常会呈现忽然封闭的现象(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结器材的行为特性更像一个抱负的开关。肖特基二极管最重要的两个功用目标便是它的低反向康复电荷(QRR)和它的康复软化系数。
这两个目标关于增强转化器都十分重要。低QRR在二极管封闭时会发生较低的IRR。高软化系数会削减二极管封闭所发生的EMI噪声、在器材阳极上发生的电压脉冲峰值,下降换向操作搅扰PFC操控IC的可能性。
肖特基二极管的局限性
肖特基二极管可以大大进步PFC增强转化器的功用,可是硅肖特基二极管具有250V左右的反向电压约束。由于增强二极管有必要可以耐受500~600V,因而人们开始运用碳化硅(SiC)器材,这种化合物可以耐受较高的电压。可是,由于SiC器材的本钱较高(是同类硅器材的3~5倍),因而很少有运用可以用得起这种器材。
曩昔几年中也呈现了功用更好的硅二极管,可是它们的功用都比不上SiC肖特基器材。最近,人们研发出了一系列新式的硅整流器,它们的反向康复功用可与SiC肖特基二极管比美(参见图2中的绿色曲线)。
在PN结硅二极管发生反偏之前有必要消除的QRR决议了在其封闭时可以从中发生的IRR巨细。QRR首要取决于PN结邻近少量载流子的持续时刻或寿数。
由于肖特基二极管仅仅是由金属资料触摸N型半导体资料构成的,因而它们没有少量载流子。当肖特基二极管发生反偏时,发生的低IRR来源于金属与二极管体触摸电容的放电效应。
在硅二极管的规划进程中可以选用多种技能操控器材中少量载流子的寿数,可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,最新的硅器材——Qspeed半导体公司的Q系列——可以完成与SiC肖特基器材相同低的IRR(如图2中的蓝色曲线所示)。
肖特基二极管没有少量载流子,由于它们仅仅由金属资料触摸N型半导体资料构成的。
软化系数是衡量二极管到达最大负值时其IRR下降归零速度的一个目标。具有快速康复功用的硅二极管在规划进程中一般选用少量载流子寿数操控技能,使得IRR可以峻峭下降(如图2中的黑色曲线所示)。这种快速的封闭进程会在二极管的阳极发生很多EMI噪声和较大的电压尖脉冲。
为了抵消运用快速二极管时呈现的这些不期望发生的现象,咱们需求精心规划慢速的电路。高软化系数意味着二极管的IRR归零的改变速度(di/dt)等于或小于它上升到最大负值的速度。当二极管缓慢封闭时,它在二极管阳极上发生的EMI噪声较少,发生的电压尖脉冲也较低,而且不容易搅扰操控IC的作业。
可以与SiC肖特基二极管相匹敌的硅整流器现在现已面世,因而工程师们应该从头评价其PFC增强转化器的规划,看一看在运用这些具有与SiC相同功用的新式硅器材之后是否可以下降规划本钱而且/或许进步规划功用。
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