利用开关器件提高PFC效率的实现

MOSFET的开关特性随着它的寄生电容的改变而改变。例如高压SuperFET有源面积的减小直接导致输入电容的减小，因此减少了栅极电荷。这导致导通延迟时间变短，需要的驱动功率变小。当我们比较SuperFET与平面MOSFET的电容时，VDS一接近10V（对SuperFET来说）CGD的值急速地减小，在导通的开关瞬态，较小的输出电容可减小放电损耗。因为这项技术的目的是使元件能够承受住高速开关瞬态下的电压（dv/dt）与电流（di/dt），这些元器件能够在较高的频率下可靠地工作，由于折算电阻的影响其品质因数（FOM）只相当于同等级平面器件的三分之一。

使用SuperFET的好处之一是它的低通导电阻减少了功率损耗。这允许设计人员可以不使用昂贵的冷却系统并且减少了散热器的尺寸。它的低栅极电荷同样使得它更容易且更有效地在高频下驱动。这些特性都减少了系统的整体功率损耗。

二极管比较

二极管又称晶体二极管，简称二极管（diode）；它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V，发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为2.0--2.2V，黄色发光二极管的压降为1.8-2.0V，绿色发光二极管的压降为3.0-3.2V，正常发光时的额定电流约为20mA.二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

硅Si肖特基二极管常作为小于300V的中低压应用，因为在漏电流与正向导通压降保持在容许的等级之内时，它们显示出很低的开关损耗与正的温度系数。然而这类二极管对于高压应用来说并不理想，因为高压应用中漏电流与正向导通压降要高的多。比较起来，SiC肖特基二极管在高压领域更有吸引力。因为碳化硅的击穿电场是硅的10倍。此外SiC的宽带隙容许较高的工作温度[2].另外，在开关状态转换过程中，SiC肖特基二极管没有反向恢复电流，这是因为它没有额外的少数载流子。虽然寄生结电容确实产生了位移电流但可以忽略不计。因此在CCM PFC应用中，由于SiC肖特基二极管优越的反向回缩特性，可不依赖于元器件的温度与正向传导特性，使得SiC肖特基二极管与硅Si二极管相比能够提供更大的功效。

图4所示为SiC肖特基二极管和硅二极管的反向恢复特性对比。在这个例子中，Fairchild公司的速复硅二极管按照tRR和VF区分为三种类型，隐形二极管具有快速反向回缩特性，超高速元件拥有最低的VF值。通过25℃时的反向恢复测试，硅二极管中出现了大量的反向恢复电流，而SiC肖特基二极管仅仅在电容中出现由p-n结反向偏压形成的位移电流。SiC肖特基和硅二极管的V-I特性曲线均为温度的涵数。正向电流较低时，温度升高时VF减小。在这个区域内，可观察到肖特基势垒两端的电流呈指数特性。当正向电流增加时，二极管的体电阻决定其正向偏置特性，并且肖特基二极管的VF随温度上升而增大。SiC肖特基二极管的带隙越大，本征载流子浓度和运行结温就越高。就原理而论，硅二极管的最高结温为150℃[8]，而SiC肖特基二极管有可能达到600℃。运行温度的增加允许其重量、体积、成本和热量管理系统复杂性的全面减小。

另外，由于SiC肖特基二极管具有正温度系数，因此与硅二极管相比，它们更适于在较高的电压下并联运行。SiC肖特基二极管的低QRR不仅减少二极管的开关损耗，而且能减少MOSFET的导通损耗，使CCM PFC达到很高的能效。就算SiC二极管中的正向电流比硅二极管大，上述情况仍然成立。在MOSFET的导通瞬间，SiC肖特基二极管优越的温度特性可以降低漏电流峰值。并且设计人员可以使用较小的MOSFET来减低成本。

MOSFET/SiC二极管集成模块

SiC，碳化硅又称金钢砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20~3.25，显微硬度为2840~3320kg/mm2.碳化硅包括黑碳化硅和绿碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料，添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。

使用高压SuperFET和一个SiC肖特基二极管组成的CCM PFC测试电路，具体地说，将Fairchild公司的600-VN沟道SuperFET MOSFET（FCA20N60）和6A SiC肖特基二极管组合，与平面型MOSFET（FQA24N50）和超高速二极管（RURP860）组合进行比较，比较内容为开关损耗与功效。此测试电路的工作频率100kHz，输出电压和电流分别为400V与1A.导通时SuperFET的栅电阻是12Ω，关断时为9.1Ω。

分别测量MOSFET与二极管的电压和电流来估算元件的功率损耗。并且量测输入与输出功率来计算系统的功效。满负荷下，MOSFET信号波形由高电平向低电平跃迁时，输入为110Vac，开关损耗通过VDS与ID的交叉区来测量。SuperFET开关时间大大地降低。平面型MOSFET的关断损耗为159μJ，SuperFET为125μJ（减小34μJ或21%）。

满负荷下，MOSFET信号波形由低电平向高电平跃迁时，输入为110Vac，在二极管与MOSFET中有5.3A的反向恢复电流通过（除电感电流以外），此电流来自于升压硅二极管。然而SiC肖特基二极管仅仅有1.2A的位移电流，可忽略不计。所以使用硅二极管时MOSFET的开通损耗为73.8μJ，使用SiC肖特基二极管时为28.9μJ（减少44.9μJ或61%）。