在半導體材料的發展中，一般將Si、Ge稱為第1代電子材料，GaAs、InP、GaP、lnAs、AlAs及其合金等稱為第2代電子材料，而將寬帶隙高溫半導體SiC、GaN、AlN、金剛石等稱為第3代半導體材料。SiC是第3代半導體材料的核心之一，與Si、GaAs相比，SiC具有很多優點，如帶隙寬（常溫下6H-SiC單晶的帶隙為3.023eV，而Si和GaAs分別為1.eV和1.4eV），熱導率高、電子飽和漂移速率大、化學穩定性好等，非常適于制作高溫、高頻、抗輻射、大功率和高密度集成的電子器件。

SiC器件研究

以 MOSFET功率管為例，其引人注目的優點諸如轉換速度快、峰值電流電容大、易驅動、安全工作區（SOA:Safe Operating Area）寬/雪崩及小性能好等都部分地受其傳導特性的影響，而后者強烈依賴于額定電壓與溫度， SIC MOSFET可以很好地解決該問題。實際上，在功率轉換領域，SiC單極器件已大大超過Si的理論極限。日前，已經研制成功的典型SiC器件，見表1，表中 SIC MESFET所顯示的輸出功率及功率密度（最大4.6W/mm）是目前在X波段（8~12GHz）使用的各寬帶隙半導體中最高的。

表1 SiC器件研究概表

SiC功率二極管在UPS中的應用

隨著社會的發展，一般的開關電源均要求采用有源功率因素校正（APFC）技術，以實現輸入高功率因素以及低電流諧波。在該技術中，無論采用何種拓撲形式，升壓整流二極管的反向恢復電流不僅給二極管造成了損耗，而且會產生較大的EMI。通過產品的應用積累，從理論和實驗方面對PFC電路中開關管和二極管的瞬態波形及開關損耗進行了分析通過實驗測試，對比了傳統Si二極管與SiC二極管在PFC系統中對關鍵參數的影響。SiC二極管的使用使PFC變換器的整體系統效率提升了0.5%左右，相對傳統Si二極管有效降低了開關損耗。

1. 設計原理與損耗分析

UPSl000Li是單相在線式UPS，滿載功率1000VA/700W。產品市電輸入端采用高頻升壓斬波 Boost整流電路進行功率因數校正，升壓開關頻率40kHz，電路原理如圖1所示。

圖1 單相 BOOST功率因數校正電路

由于開關頻率很高，CCM下的PFC變換器的主拓撲為 Boost變換器。升壓二極管的反向恢復會引起較大的反向恢復損耗和過高的di/dt，并會產生嚴重的EMI。在提高功率因數的同時，提高開關管和二極管的熱穩定性，降低EMI、電壓應力及電流應力尤為重要。

CCM下PFC系統電源損耗包括導通損耗和開關損耗，前者主要包括給定正向電流時的MOSFET管Q的導通損耗和二極管D正向壓降Ⅴf上的導通損耗;后者包括Q上的開關速度損耗和D反向恢復損耗。其中，功率管Q損耗包括開關損耗和導通損耗，即：

式中，Id-rms為Q功率管電流的均方根;Dpwm為占空比；Eon為開通損耗;Eoff為關斷損耗;fs為電流的開關頻率。

同樣， Boost二極管D電流損耗包括開關損耗和導通損耗，即

式中，Io為PFC變換器輸出電流，A；ID-rms為二極管D的均方根電流，A;Qe為在指定電壓條件下的二極管結電容，f。

CCM PFC的總損耗主要是功率管Q與升壓二極管D的損耗，對PFC的效率進行提升，可以選擇低Ⅴf和小反向恢復電流Irr的二極管D來減小D導通損耗和反向恢復損耗;選擇低CGD的 MOSFET和短trr的來減小Q的開關損耗。

2. 二極管反向恢復特性分析

系統設計原理與損耗分析可知，在CCM的工作模式下，每當控制Q開通時，此時，由于二極管D在完全正向偏置的情況下會發生快速反偏，并且硅二極管的關閉需要一定的時間，因此，在二極管關斷時，流回二極管的反向恢復電流Irr就會非常大，因此，它的反向恢復特性直接影響到PFC的性能。二極管的反向恢復時間取決于二極管的反向恢復存儲電荷Qrr和反向壓降Vr，在這些存儲電荷突然消失前，二極管pn結仍處于正向偏置，即勢壘區仍然很窄，pn結的電阻很小。當它與二極管陽極對地阻抗RL相比可以忽略時，反向電流為：

Ir=（Vr+VD）/RL （3）

式中，VD、Vr為二極管pn結兩端的正、反向壓降。一般VR》VD，即有IR≈VR/RL。

肖特基二極管相PN結器件的特性更像一個理想的開關，它的最重要的兩個性能指標就是它的低反向恢復電荷Qrr和它的恢復軟化系數。其中，低Qrr在二極管關閉時，會產生較低的Irr，而高軟化系數會減少二極管關閉所產生的EMl噪聲以及在器件陽極上產生的電壓脈沖峰值，以降低開關時對系統控制干擾的可能性。

肖特基二極管能夠大大提高PFC變換器的性能，但是硅肖特基二極管具有250V左右的反向電壓限制。但此升壓二極管必須能夠耐受500-600V的電壓應力，而碳化硅（SiC）又能夠耐受較高的電壓，故從提高系統性能角度人們已在逐步運用SiC器件。

4種常見增強型二極管的反向恢復電流曲線，如圖2所示。在最近新推出的一種新型的硅整流器，它們的反向恢復性能可與SiC二極管一較高下，其反向恢復波形見圖2中的D- series曲線。PN結硅二極管發生反偏之前，必須消除的Qrr決定了在其關閉時能夠從中產生的Irr大小。Qrr主要取決于PN結附近少數載流子的持續時間或壽命。由于肖特基二極管僅僅是由金屬材料接觸N型半導體材料構成的，因此，它們沒有少數載流子。當肖特基二極管發生反偏時，產生的低Irr來源于金屬與二極管體接觸電容的放電效應。雖然在Si二極管設計中已采用多種技術控制器件中少數載流子的壽命，但是目前還未有同SiC二極管低Qrr特性相媲美的器件。

圖2 常見二極管的反向恢復電流波形

3. 實驗結果及分析

在在UPS的產品設計中，分別采用8A/600V Si快速恢復整流二極管和6A/600V SiC整流二極管進行對比測試。產品輸入電壓為交流220V，母線電壓360V，PFC整流工作頻率40kHz。

SiC肖特基二極管的Total Capacitive Charge（Qc）小、可以降低開關損失，實現高速開關。而且，Si快速恢復二極管的會隨著溫度上升而增大，而SiC則可以維持大體一定的特性。

圖3 兩種整流二極管下整機效率對比

表2、表3分別為采用Si快速恢復整流二極管與SiC整流二極管時，產品內部各電路模塊帶載效率測試。經測試對比可知，采用SiC二極管后，整機效率整體平均提升了0.5%左右，如圖3所示。使用Si二極管PFC變換器的 MOSFET和二極管的開關損耗明顯大于SiC二極管，此時Si二極管系統損耗比SiC二極管系統平均高出4~6W由此可知，在高頻大電流系統中，使用SiC二極管代替Si二極管，系統損耗明顯下降。

總結

本文利用SiC整流二極管在UPS中的應用，通過對PFC系統工作原理與系統損耗進行分析。在系統中使用SiC二極管代替快速恢復Si二極管，使得系統在效率上得到了提高。并且，由于開關管損耗的減少，進而使得相應散熱器減小，整機功率密度提高。

另一方面，由于日前SiC二極管價格仍然較高，所提性能又有限。因此，SiC二極管在應用上，性價比仍有待提高。相信隨著科學的發展，SiC器件工藝的不斷提升，在不遠的將來有著廣闊的應用前景。