№8 / 2018 / статья 8

Эффективная обработка бросков тока в цепях PFC с использованием карбид-кремниевых диодов Шоттки

Дамиджан Зупанчич (Infineon Technologies)

Диоды на основе карбида кремния широко применяются там, где требуются повышенные эффективность и удельная мощность. В процессе оптимизации семейства CoolSiC™ было создано новое шестое поколение (G6) карбид-кремниевых диодов Шоттки со сниженными потерями проводимости. При этом снизилась и величина импульсных токов, которые способен пропускать прибор при определенных условиях. Но, тем не менее, параметры CoolSiC™ G6 соответствуют основным современным эксплуатационным требованиям.

С применением карбид-кремниевых диодов (SiC) в цепях коррекции коэффициента мощности (PFC) стали использовать шунтирующий (байпасный), чтобы ограничить прямой ток через SiC в случае появления бросков напряжения в сети электропитания. На рисунке 1 представлена классическая схема PFC с шунтирующим диодом. Шунтирующий диод переходит в проводящее состояние лишь тогда, когда выпрямленное напряжение оказывается выше, чем выходное, например, при броске напряжения.

Рис. 1. Упрощенная классическая схема PFC

Рис. 1. Упрощенная классическая схема PFC

Первое испытание оригинального оценочного комплекта платы ККС на 800 Вт выполнялось с шунтирующим диодом. Для того чтобы продемонстрировать наиболее сложный из возможных вариантов, были выбраны следующие тестовые условия:

  • входное напряжение Vвх. = 90 В АС;
  • частота коммутации Fком. = 130 кГц;
  • выходная мощность Рвых. = 800 Вт;
  • параметры импульса – Vим. = 4 кВ, Z = 2 Ом, ϕ = 90°, конфигурация – «фаза-нейтраль».

Испытание на устойчивость к импульсному перенапряжению проводилось при 90° (то есть положительный импульс напряжения добавлялся поверх синусоидальной волны). В частности, был выбран комбинированный волновой тест с импульсным напряжением 1,2/50 мкс с пиковым значением 4 кВ. Этот тест определен стандартом МЭК 61000-4-5 и касается требований к телекоммуникационным системам.

Данное исследование выполнялось при наихудших возможных условиях в цепи PFC в отношении устойчивости к резким перегрузкам по току. При наиболее малом входном напряжении по цепи протекает наибольший ток. На этом этапе наибольший ток протекает через дроссель цепи PFC и насыщает его. Насыщение приводит к снижению индуктивности дросселя. Такой дроссель не может обеспечить серьезное ограничение тока при возникновении импульсных бросков. Когда импульсный ток протекает через Boost-диод, а не через шунтирующий диод, нагрузка повышается. В этом случае Boost-диод испытывает наибольшую токовую нагрузку.

Первые осциллограммы тока были сняты на Boost-диоде IDH06G65C6 и шунтирующем диоде S5K для того чтобы показать разницу в распределении тока между этими двумя диодами в процессе импульсного воздействия на входе ККМ на 800 Вт. Оба диода одновременно находились в проводящем состоянии примерно по 80 мкс со следующими пиковыми значениями тока:

  • Boost-диод IDH06G65C6: IF,макс = 23,4 A;
  • шунтирующий диод S5K: IF,макс = 308 A.

Помимо осциллограмм тока, были сняты и формы входного напряжения, которое быстро увеличивалось в момент импульса. Тестируемая плата имела защитный варистор структуры MOV (metal oxide varistor), который ограничивает импульсные броски напряжения из электрической сети. Этот варистор оказывает воздействие на токи, протекающие через шунтирующий и Boost-диод. Бросок напряжения между фазой и нейтралью сети вызвал импульс тока сложной формы через шунтирующий диод. В действительности после скачка напряжения было два токовых импульса. Первый возник в момент появления броска напряжения, второй был результатом действия варистора по ограничению напряжения. В процессе ограничения варистором входного напряжения выпрямленное напряжение понижалось и шунтирующий диод закрывался. Когда варистор переставал выполнять функцию ограничения, напряжение на входе увеличивалось и возникал второй импульс через шунтирующий диод.

Ток через Boost-диод был сглажен, так как дроссель PFC ограничивал быстрые переходные процессы. В рабочем режиме Boost-диод (SiC) оказался защищенным от каких-либо перегрузок. Протекающий через диод ток находился в пределах, указанных в спецификации.

Второй вариант рассматривал испытание на устойчивость к броскам напряжения без цепи с шунтирующим диодом. Шунтирующий диод был просто выпаян из участвовавшей в первом варианте испытаний платы. Это означало отсутствие всех функций шунтирующего диода. Для того чтобы иметь одинаковые тестовые условия, как и в предыдущем сценарии, были применены такие же входное напряжение, выходная нагрузка и импульсный ток.

В процессе воздействия импульса повышенного напряжения ток через вольтодобавочный диод увеличивался до 24 А. Такое значение тока находится в пределах, определенных спецификацией. Вольтодобавочный диод CoolSiC G6 прошел испытания, но выпрямительный мост LVB2560 не выдержал их из из-за слишком высокого напряжения.

Диод CoolSiC G6 не ограничивал устойчивость к броскам тока цепи PFC даже без использования шунтирующего диода. Сравнение схем с шунтирующим диодом и без него показывает очевидное преимущество первого варианта. Шунтирующий диод полностью защищает цепи PFC от повышенного импульсного тока и не создает дополнительных потерь мощности в установившемся режиме, потому что он проводит ток только тогда, когда напряжение на его аноде выше, чем на катоде. Таким образом, он является защитным компонентом, который пропускает ток лишь в редких случаях, таких как перегрузка по току.

Оригинал статьи

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее