在功率電子領(lǐng)域，要求在電壓更高的情況下開關(guān)性能更出色。為工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)、可再生能源發(fā)電和電動汽車等應(yīng)用選擇組件時，空間要求、重量和效率也是關(guān)鍵因素。目的是在最大程度地提高應(yīng)用品質(zhì)的同時，也最大程度地降低成本和工作量。

雖然硅二極管通常是這些選擇的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，然而，使用碳化硅材料的組件具有明顯的優(yōu)勢，特別是在600 V以上電壓的應(yīng)用中。由于電路應(yīng)用中的高性能組件始終使用脈沖電流，因此它們還需要考慮開關(guān)損耗以及反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。

開關(guān)損耗和正向電壓損耗

每個開關(guān)過程(例如，打開或關(guān)閉組件時)都會產(chǎn)生開關(guān)損耗。隨著開關(guān)頻率的增加，相應(yīng)的損耗也隨之增加，因此系統(tǒng)的整體功率損耗也隨之增加了。這就是為什么當(dāng)開關(guān)頻率較高時，系統(tǒng)的總體功率損耗中的很大一部分是來自于開關(guān)損耗。如果在這些應(yīng)用中使用硅組件，便會出現(xiàn)高功率損耗和產(chǎn)生熱量，將會要求限制負(fù)載電流或?qū)嵤┌嘿F的冷卻措施。

就網(wǎng)絡(luò)頻率而言，正向電壓損耗起著更大的作用，而當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到幾百赫茲以上時，所產(chǎn)生的開關(guān)損耗將占據(jù)主導(dǎo)地位。

反向電壓很高時，反向電壓損耗也起著作用，特別是在高溫下。碳化硅肖特基(SiC Schottky)二極管在這些情況下是理想的選擇，因為它們的反向恢復(fù)電流非常低，反向恢復(fù)時間也較短，這可以大大減少相關(guān)的能量損耗。

計算總體損耗的公式如下：

Pl = Ps + Pt + Pr    (開關(guān)損耗+正向電壓損耗+反向恢復(fù)損耗)

在正向偏壓下，二極管的功率損耗隨著正向電流上升而增加；在反向偏壓下則保持恒定。因此，在升壓器中，碳化硅肖特基二極管的泄漏電流(IR)占據(jù)了總損耗的重要部分，而輸出電流很低。

另一方面，在高電流下，正向電壓(UF)是主要因素。由于肖特基二極管的大部分時間都處于反向偏置工作，因此反向恢復(fù)電流會對二極管的功率損耗產(chǎn)生重大影響，因此僅僅保持二極管的正向電壓盡可能低是不夠的?？紤]串聯(lián)IR和UF并評估它們?nèi)绾斡绊懚O管的總損耗，具有很大的意義。

升壓器的輸出電壓越高，接通時間越長，肖特基二極管保持反向偏置的時間就越長。使用肖特基二極管降低正向電壓會增加殘余反向電流，因此有必要找到理想的二極管選擇。

因此，在選擇二極管時，必須使正向電壓損耗、開關(guān)損耗和電荷最小化，同時還要使擊穿電壓和軟換向最大化，這一點至關(guān)重要。為了確保良好的能源效率，考慮總體功率損耗而不是單個模塊參數(shù)，通常使用肖特基二極管是更合情合理的方法。

由于其較低的開關(guān)損耗，并且在關(guān)閉二極管時不存在反向電流尖峰，因此碳化硅肖特基二極管的效率要比硅二極管高得多，相應(yīng)地也減少了無線電干擾，并改善了整個系統(tǒng)的電磁行為。

工作溫度和散熱設(shè)計

散熱設(shè)計在功率電子系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，以確保高功率密度，從而可以實現(xiàn)更緊湊的電力系統(tǒng)。在高電流下，硅肖特基二極管容易產(chǎn)生過多的熱量。高熱量和高泄漏電流(IR)的結(jié)合會導(dǎo)致封裝和環(huán)境溫度的升高。因此，不正確的散熱設(shè)計可能會產(chǎn)生無法散發(fā)的熱量，結(jié)果可能導(dǎo)致熱失控，即熱量的快速累積，可能會損壞組件，甚至可能損壞整個系統(tǒng)。

碳化硅肖特基二極管的溫度關(guān)系與硅肖特基二極管的溫度關(guān)系存在很大的差異。碳化硅的熱導(dǎo)率幾乎是硅的三倍，這使得碳化硅非常適合更高的工作溫度。當(dāng)使用碳化硅功率半導(dǎo)體工作時，較少的熱損失也帶來了更高的效率和更小的散熱片，從而減低了應(yīng)用產(chǎn)品的空間要求及其重量。

在較高溫度下，當(dāng)正向電壓(Vf)隨著工作電阻而增加時，這有助于防止熱失控，從而使得碳化硅肖特基二極管也可以并聯(lián)連接使用。由于其正溫度系數(shù)，它們也比硅二極管更適合于高壓下的并聯(lián)電路。

功率因數(shù)校正

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-3-2規(guī)定了公開出售的有功功率設(shè)備的電源電流諧波含量的限制，還定義了功率超過75 W的限制和例外。實際上，這意味著在許多情況下，基礎(chǔ)AC/DC轉(zhuǎn)換都不允許使用帶有后續(xù)濾波功能的橋式整流器，因為這種情況下的電源電流是脈沖式的，并且諧波含量較高。使用稱為功率因數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)器或功率因數(shù)校正器(PFC)的升壓器，可使其大致保持為正弦波。

對于性能非常高的PSU，連續(xù)導(dǎo)通模式控制器(CCM-PFC)是首選的有源拓?fù)?，此設(shè)計對反激二極管有以下要求：

?低反向恢復(fù)時間/電荷(trr/Qrr)，以減少MOSFET的導(dǎo)通損耗和二極管的開關(guān)損耗

?低正向電壓(Vf)，以減少傳導(dǎo)損耗

?柔和的反向恢復(fù)曲線，可減少電磁輻射

因此，在這種情況下，碳化硅肖特基二極管是理想的解決方案。

最適合各種應(yīng)用的最佳二極管

硅二極管是低壓應(yīng)用的首選。另一方面，在600 V至1200 V的高壓應(yīng)用中，碳化硅二極管具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，因此成本更高也是值得的。在200–600 V電壓范圍內(nèi)，開關(guān)頻率和電流是關(guān)鍵因素。碳化硅二極管在各種應(yīng)用中都需要，包括用于電動汽車和車載充電器(OBC)的充電站，用于電動和混合動力汽車的功率轉(zhuǎn)換器，開關(guān)模式電源單元和PFC電路，以及用作電感器和MOSFET/IGBT的反激二極管，還有用作太陽能和風(fēng)能的DC/AC轉(zhuǎn)換器中的逆變器。

儒卓力提供來自意法半導(dǎo)體的超快速高壓二極管。它們是成本敏感型應(yīng)用的理想選擇，并且具有低正向電壓，適合用于交流整流橋的輸入。這些STTHxx 硅二極管設(shè)計是用于600 V至1,200 V的電壓范圍且電流容量為5A至30A。

具有碳化硅襯底的肖特基整流二極管STPSC10H12則具有低的正向電壓和1200 V的額定電壓，這要歸功于該材料的帶隙較大。由于采用了肖特基設(shè)計，因此在關(guān)斷期間沒有反向恢復(fù)時間，并且振蕩趨勢可以忽略不計。它們的最小電容關(guān)斷行為與溫度無關(guān)。碳化硅二極管STPSC10H12特別適合在PFC和次級應(yīng)用中使用，并在硬開關(guān)條件下可以提高性能。此外，它在–40°C至+ 175°C結(jié)溫范圍工作。還提供STPSC10H12-Y形式的汽車使用AEC-Q101認(rèn)證型款，該型款產(chǎn)品也支持PPAP。

意法半導(dǎo)體的STPSC10H12 碳化硅二極管特別適合在PFC和次級應(yīng)用中使用，并在硬開關(guān)狀況下可以提高性能。