SHYSEMI：SiC肖特基二极管在升压型PFC电路中的应用及性能分析

目录：

1. 引言

2. 实验装置和测试条件

3. 结果与讨论

4. 低功耗 PFC 电路的扩展验证

5. 结论

6. 总结与展望

关键词：

碳化硅肖特基二极管、快速恢复硅二极管（FRD）、开关电源（SMPS）、功率因数校正电路、反向恢复特性

1. 引言

开关电源 (SMPS) 是现代电子系统（例如计算机电源单元、 工业驱动器、通信基础设施和可再生能源系统）不可或缺的一部分。为了实现更高的功率密度和转换效率，制造商正不断寻求提高功率因数校正 (PFC) 电路的开关频率。然而，在连续导通模式 (CCM) 升压型 PFC 拓扑结构中，硅二极管的反向恢复电流会导致相当大的开关损耗、寄生振荡和电磁干扰 (EMI) 问题，从而限制了实际工作频率上限。

碳化硅肖特基二极管提供了一种极具吸引力的解决方案。作为多数载流子器件，其反向恢复电荷可忽略不计，具有宽带隙材料特性和优异的导热性，与硅基器件相比，能够实现更高的开关频率、更低的损耗和更高的可靠性。SHYSEMI 将重点分析碳化硅肖特基二极管在升压功率因数校正电路中的性能。

2. 实验装置和测试条件

2.1 电路配置

如图 1所示，实验性 PFC 电路采用标准 Boost 拓扑结构。开关晶体管 (VT) 为 MOSFET（型号：IPW60R045CP，额定电压 600 V / 60 A）。

图 1 升压型 PFC电路

在相同条件下对两个二极管进行了评估：

测试规范：

测试样机在使用硅二极管时以 50 kHz 的频率运行，而 SiC 二极管版本则在 50 kHz、100 kHz、150 kHz 和 200 kHz 的开关频率下进行了测试，以进行比较评估。

3. 结果与讨论

3.1 效率提升和功率损耗分布

在 50 kHz 工作频率下，用 SiC 肖特基二极管代替硅二极管，系统效率从 94.36% 提高到 95.05%，相当于总功率损耗减少了约 28 W。
由于两个器件的正向压降相似，因此这种降低主要归因于反向恢复损耗的消除。

功率损耗分析（如图2所示）表明，在硅二极管结构中，反向恢复损耗约占开关器件总损耗的 45%。此外，该损耗分量几乎随开关频率线性增加，这证实了二极管的恢复特性是限制 CCM-PFC 电路高频运行的主要因素。

图2 开关器件的损耗分布

3.2 结温特性

在 40 °C 的环境温度下测量器件结温（表1）。

表1 不同频率下器件的结温（环境温度：40℃）

SiC二极管的温度随频率仅略有升高，而MOSFET结温随开关频率的增加而显著升高。
这表明，一旦采用 SiC SBD，大部分开关损耗就来自 MOSFET 而不是二极管。
当反向恢复损耗被有效消除时，频率相关损耗仅占系统总损耗的约14.5% ，证实了基于 SiC 的设计具有优异的热稳定性。

表3 不同频率下器件的结温（环境温度：40℃）

3.3 系统在整个频率范围内的效率

如图4所示，系统整体效率在 100 kHz 时达到最高，其次是 50 kHz，在 150 kHz 时略有下降。
这种趋势可以用固定的电感器设计参数来解释。随着频率的增加，电感器上的电流纹波减小，从而降低了半导体损耗。然而，由于非线性电感器磁芯损耗和铜损耗，存在一个最佳频率点，在该频率点上整体效率达到峰值。对于该原型，最佳工作频率约为 100 kHz。

图 4 原型机在不同频率下的效率

4. 低功耗 PFC 电路的扩展验证

第二组实验是在一台 300 W Boost-PFC 原型机上进行的，该原型机的直流输出电压为 380 V，标称频率为 70 kHz，输入范围为 90–260 V，采用相同的拓扑结构进行比较评估。

测试二极管：

4.1 开关波形分析

如图 5d所示，在 MOSFET 导通转换过程中，与两种硅二极管相比，使用 SiC 二极管时的峰值反向电流显著降低。这证实了 SiC SBD 具有优异的反向恢复性能——几乎完全消除了反向恢复电流，并最大限度地降低了 MOS FET 上的开关应力。

图 5 MOSFET 晶体管开关过程中的电压和电流波形。

a) SDP04S60（碳化硅二极管） b) STTH5R06D 二极管 c) RURD460 二极管

4.2 效率和电磁干扰性能

在 220 V 和 110 V 输入条件下测得的效率数据（表 2和表 3）表明，SiC 二极管在所有测试案例中均实现了最高的效率。
虽然 SiC 二极管的正向电压通常高于 RURD460 等硅二极管，但消除反向恢复损耗占据主导地位，从而导致 CCM-PFC 运行中的总功率损耗总体降低。

表2 输入电压为220V时的效率测量值

表3 输入电压下的效率测量值 110伏

传导式电磁干扰测量（图 6 ）表明，在 150 kHz–1 MHz 和 1–30 MHz 频段内，SiC 二极管结构产生的噪声注入水平显著低于硅二极管结构，从而简化了电磁干扰滤波器。 设计。

图 7：220V 输入电压下传导 EMI 的测量波形

a) 频率范围为 150kHz 至 1MHz；b) 频率范围为 1 至 30MHz。

5.结论

实验结果证实，在PFC升压转换器中采用SiC肖特基二极管可带来显著的系统级效益：

显著降低转换损失
– 反向恢复损耗几乎消除，使开关器件总损耗降低高达 45%。

更高的效率和热稳定性
– 系统效率提高了约 0.7%，同时器件结温在高频工作下保持较低且更稳定。

卓越的电磁干扰和可靠性性能
– 降低反向恢复电流和 dv/dt 引起的振铃可有效降低传导噪声和辐射噪声。