硅与碳化硅二极管在Buck变换器中的对比研究

Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ： Ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｐ ｈ ． Ｄ． Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ａ ｍ ｓ Ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｆ ｏ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ （ Ｎ ｏ ． ２ ０ １ ２ ３ ２ １ ８ １ ２ ０ ０ １ ７ ） ； Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｆ ｕ ｎ ｄ Ｆ ｒ ｏ ｍ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｙ ｒ ｏ ｆ Ｎ ｅ ｗ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ （ Ｎ ｏ ． Ｚ Ａ Ｂ １ １ ０ ０ ２ — １ ４ ）
Ｃｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｉ Ｄｉ ｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ Ｓ ｉ Ｃ Ｄｉ ｏ ｄ ｅ ｉ ｎ Ｂｕ ｃ ｋ Ｃｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ
Ｆ ＡＮ Ｇ Ｙ ｕ 一 ，Ｑ Ｉ Ｎ Ｈａ ｉ — ｈ ｏ ｎ ｇ ￣ ，Ｚ Ｈ Ｕ Ｚ ｉ — ｙ ｕ ｅ ，Ｚ Ｈ Ａ Ｏ Ｂ ｉ ｎ
（ １ ． 无锡 市计 量测 试 中心 ，江 苏 无 锡
斌
２ １ ０ ０ １ ６ ）
２ １ ４ １ ０ １ ；
２ ． 江苏 省新 能源发 电与 电能变 换重 点实 验室 ， 南京航 空航 天大 学 ，江 苏 南京
摘要 ： 硅（ Ｓ ｉ ） 器件 在 电力 电子变 换器 中应用 广泛 ， 但 其性 能 已接近 理论 极 限。与 ｓ ｉ 材料 制成 的 ｓ ｊ 二 极管相 比，
由新型 碳化硅 （ Ｓ ｉ Ｃ） 材料 制成 的 Ｓ ｉ Ｃ二 极管 性能 更加优 越 。对 ｓ ｉ 二极 管和 Ｓ ｉ Ｃ二极 管 的器件 特性 ， 包括 通态 特
性、 阻态 特 性和 开关 过程 这 ３个 方面 进 行对 比 ． 又对 两种 二 极 管 的损耗 分 布 （ 导通 损耗 、 阻 态损 耗和 反 向恢 复 损耗） 进 行 了理论计 算和 对 比分析 。 设计 制作 了 Ｂ ｕ ｃ ｋ变换 器实 验样机 ， 对 分别 采用 ｓ ｉ 二极 管和 Ｓ ｉ Ｃ二 极管 时
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ （ Ｓ ｉ ）ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｔ ｒ ｅ ｒ ， ｂ ｕ ｔ ｉ ｔ ｓ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｈ ａ ｓ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｉ — ｍｉ ｔ ． Ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｉ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ｃ ａ ｒ ｂ ｉ ｄ ｅ （ Ｓ ｉ Ｃ ）ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｍａ ｒ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
管 的变换器进行 了实验测试 ． 结果验证 了采用 Ｓ ｉ Ｃ 肖特 基 二 极 管 能 显 著 提 高 整 机 工 作 性 能 。
２ Ｓ ｉ Ｃ 肖特 基 二 极 管 的 特 性 分 析
Ｓ ｉ Ｃ 肖特 基 二 极 管 的 反 向阻 断 电压 很 高 。 预 计 理论上可超过 １ Ｏ ｋ Ｖ． 且商用 Ｓ ｉ Ｃ器 件 的 阻 断 电压 水 平 如 今 也 已达 到 １ ７ ０ ０ Ｖ。 由于 在 此 阻 断 电压 等
Ｓ ｉ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ Ｓ ｉ Ｃ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｏ ｎ － ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ， ｏ ｆ— ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｎｄ ａ Ｓ Ｗ・ ｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ． Ａｌ ｓ ｏ， ｌ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｓ ｉ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ Ｓ ｉ Ｃ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ － ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ， ｏ ｆ － ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ
管 的特性 ． 并对应用在 Ｂ ｕ ｃ ｋ 变 换器 中时两种二极 管 的损耗进行 了理论计算和对 比分析。设计并制 作了 Ｂ ｕ ｃ ｋ变 换 器 实验 样 机 。 对 采 用 上述 两 种 二 极
高装置 的效 率、 减小装置 的体积【 ｚ 】 。 故对 Ｓ ｉ Ｃ肖特 基 二 极 管 的研 究 与 开发 受 到 越 来 越 多 关 注 。与 传
Ｓ ｉ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ Ｓ ｉ Ｃ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ Ｂ ｕ ｃ ｋ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ｇ ｉ ｖ ｅ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｒｅ ａ ｄ ． ｈ ｅ Ｔ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｖ ｌｉ ａ ｄ ａ ｔ ｅ ｓ ｈｅ ｔ ｂ ｅ ａ ｅ ｒ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｈｅ ｔ Ｓ ｉ Ｃ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ￣ ｅ ｒ ；ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ；ｌ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ
１ 言
Ｓ ｉ 器件 性 能经 过近 ６ Ｏ年 的 发 展 已 接 近 理 论
率、 减 少损耗 、 提 高效 率 ， 减 小 变 换 器 的重 量 和 体 积【 － ５ 】 ， 提高功率密度 。 对 比分 析 Ｓ ｉ Ｃ 肖特 基 二 极 管 与 ｓ ｉ 快 恢 复 二 极
极限 ， 难 以大 幅度提 高 ， 而这也正是制约 电力 电子 变 换 器 的应 用 性 能进 一 步 提 升 的 原 因之 ” 。 新型 Ｓ ｉ Ｃ器件 阻断 电压 高、 通态 电阻低 、 开 关 损耗 小且耐高温 工作 ， 能显著 降低装置 的功耗 、 提
存 在 较 严 重 的 反 向恢 复 问题 。同 时 电流 变 化 率 ｄ ／ ｄ 在 反 向恢 复 时较 大 ， 产 生 的 电压 尖 峰在 线 路 中 的 杂 散 电感 上 有 可 能很 大 。 而 由于 Ｓ ｉ Ｃ 肖特 基 二 极 管是单极型器件 ， 无 电导 调 制 效 应 ， 故 理 论 上 基 本
图ｌ ａ ． ｂ示 出 Ｓ ｉ Ｃ 肖特 基 二 极 管 Ｃ ３ Ｄ １ ０ ０ ６ ０ Ａ （ ６ ０ ０ Ｖ ／ １ ０ Ａ， 壳温 Ｔ ￣ ＝ １ ５ ０ ｏ Ｃ ） 和ｓ ｉ 快恢 复二极 管 Ｍ Ｕ Ｒ １ ５ ６ ０ （ ６ ０ ０ Ｖ ／ １ ５ Ａ， ＝ １ ４ ５℃） 的伏安特性。， ｆ ， 为 反 馈 电流 、 电 压 。 ＭＵ Ｒ １ ５ ６ ０和 Ｃ ３ Ｄ１ ０ ０ ６ ０ Ａ 的 开启 阈值 电压都是负温度系数 ．即随着结温 的 升高而逐渐 降低 。 由图 １ ａ 可 以看 出， 当／ ｆ ＜ ２ Ａ时 ，
级 ．电力 电子 变换器常使用 Ｓ ｉ Ｐ Ｎ结快恢 复二极
管 ．故 在 此 针 对 Ｓ ｉ Ｃ 肖特 基 二 极 管 与 Ｓ ｉ Ｐ Ｎ 结 快
作者 简 介 ： 方 瑜 （ １ ９ ８ ０ 一 ） ， 男， 江 苏无锡 人 ， 硕士， 研 究 方
向 为功 率变换 。
恢复二极管 ， 从通态特 性、 阻态特 性和开关过程这 ３ 个方面进行 比较 。
ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｙ ｌ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｒｅ ａ ｄ ｎｄ ａ ａ ｎ ｌｙ ａ ｚ ｅ ｄ ． ｈ ｅ Ｔ ｗａ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｓ ， ｌ ｏ ｓ ｓ ｅ ｓ ， ｅ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉｓ ｒ ｅ ｏ ｆ ｈｅ ｔ
（ １ ． Ｗｕ ｘ ｉ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｓ ｔ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ，Ｗｕ ｘ ｉ ２ １ ４ １ ０ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；２ ． Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆＮ ｅ ｗ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ｔｉ ａ ｏ ｎ
ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｗｅ ｎ ｉ ＠ｏ ｆＡ ｅ ｒ ｏ ｍ ｍｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ，Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ １ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
３ ７
第４ ８卷 第 ２期
２ ０ １ ４年 ２月
电 力 电子 技 术
Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ
Ｖｏ １ ． ４ ８，Ｎｏ ． ２
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０ １ ４
２ ． １ 通 态 特 性 与 参数
于Ｓ ｉ Ｃ肖特基 二极 管无 电导调制效应 ．只受寄生 电感影响 ． Ｓ ｉ Ｃ肖特基二极管的零 正向恢复 电压特 性可通过改进 工艺基本实现 。 因 为 有 电导 调制 效 应 ， Ｓ ｉ Ｐ Ｎ结 快 恢 复 二 极 管
的主要 波形 、 损耗 、 效率和 温升 进行 了对 比研究 。 实验 结果进 一步 验证 了 Ｓ ｉ Ｃ二 极管 的性 能优势 。
关键词： 变换 器 ：二极管 ；损耗
中图分 类号 ： Ｔ Ｍ ４ ６ 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ０ — １ ０ ０ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ０ ０ ３ ７ — ０ ３
第４ ８ 卷 第 ２期
２ ０ １ ４年 ２月
电 力 电 子 技 术
Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ
Ｖｏ １ ． ４ ８．Ｎ ｏ ． ２
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０１ ４
硅与碳化硅二极管在 Ｂ ｕ ｃ ｋ变换器中的对 比研究
方 瑜 １ ， ２ ，秦 海 鸿 ，朱梓 悦 ，赵
统ｓ ｉ 二极管相 比， Ｓ ｉ Ｃ二 极管具有更好 的特性 ， 若 将 其应 用 于 电力 电子 变换 器 可 显著 提 高开 关频
基金 项 目 ： 教 育 部 博 士 点 基 金 资 助 项 目（ ２ Ｏ １ ２ ３ ２ １ ８ １ ２ ｏ ０ ｌ ７ ） ；
江 苏 省 新 能 源 发 电 与 电 能 变换 重 点 实验 室 开 放 基 金 （ Ｚ ＡＢ １ １ ０ ０ ２ ． １ ４ ） 定 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — １ ２ — ２ ７