ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ В СХЕМАХ АКТИВНЫХ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

ADVANTAGES OF USING SILICON CARBIDE DIODES IN ACTIVE POWER FACTOR CORRECTOR CIRCUITS

Mezentsev Yuri Alekseevich

Master’s student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

Lobanova Valentina Andreevna

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Engineering, associate professor, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются преимущества использования диодов на основе карбида кремния (SiC) в схемах активных корректоров коэффициента мощности (ККМ), анализируются их ключевые характеристики с примером практического внедрения, а также приводится сравнительный анализ со стандартными кремниевыми диодами (Si).

ABSTRACT

The article discusses the advantages of using silicon carbide (SiC) diodes in active power factor corrector (APFC) circuits, analyzes their key characteristics with an example of practical implementation, and provides a comparative analysis with standard silicon diodes (Si).

Ключевые слова: активный корректор коэффициента мощности (ККМ), карбид кремния (SiC), коэффициент полезного действия, обратное восстановление.

Keywords: active power factor corrector (APFC), silicon carbide (SiC), efficiency, reverse reduction.

Повышение коэффициента полезного действия, снижение массогабаритных показателей и уровня электромагнитных помех являются основными требованиями к современным источникам питания, а, следовательно, и к их разработчикам, которые, используя более совершенные технологии, достигают этих целей. Несомненно, максимально рациональное потребление энергоресурсов – одна из главных тенденций в мире, что закреплено в различных стандартах на оборудование и технику.

Обязательным блоком в источниках питания с выходной мощностью более 100 Вт является корректор коэффициента мощности, позволяющий более эффективно использовать потребляемую энергию. Суть его работы заключается в том, чтобы максимальная доля потребляемой мощности была активной, а не реактивной, то есть расходовалась на полезную работу. Да, он повышает итоговую стоимость устройства, однако экономия электроэнергии и снижение уровня помех значительно компенсируют это.

Схемы активной коррекции коэффициента мощности могут быть инвертирующими, понижающими и повышающими. Последние являются наиболее предпочтительными в источниках питания высокой мощности, так как они дают выходное напряжение больше максимального входного по уровню, следовательно, средние выходные токи обладают меньшей силой. Стандартная схема такого ККМ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Стандартная схема повышающего корректора коэффициента мощности

Такие схемы ККМ в режиме непрерывной проводимости могут обеспечивать намного большую мощность на выходе блока питания, но дают большие потери на обратном восстановление выпрямителей. Раньше их ограничивали добавлением схем нулевой потери на переходе, но с появлением диодов на основе карбида кремния (SiC) все больше разработчиков прибегают к их использованию.

Карбид кремния относится к полупроводниковым материалам с большой шириной запрещенной зоны. Эта характеристика делает его оптимальным вариантом для создания высоковольтных диодов Шоттки. Кроме того, большинство преимуществ SiС- относительно Si-приборов усиливается с ростом температуры.

Наиболее ценное преимущество диодов Шоттки на основе карбида кремния – отсутствие тока обратного восстановления, что является решением проблемы потерь в режиме непрерывной проводимости в схеме ККМ. Кроме того, эпюры переключения имеют четкие границы, снижается уровень электромагнитных помех и снабберные цепи, используемые с диодами на основе кремния, зачастую убираются.

Эффективность — это только одна цель, которую преследует разработчик источника питания. Должны также учитываться стоимость, вес, габариты и электрические характеристики, и правильный дизайн устройства может помочь в достижении этих целей. Кроме того, более эффективная конструкция снижает требования к теплоотводу, что также позволяет снизить размеры, вес и стоимость.

Повышение эффективности дает возможность увеличить выходную мощность устройства без изменения его конструкции. При той же мощности это позволяет снизить требования к системе охлаждения. В конечном итоге это ведет к повышению надежности системы.

В качестве практического примера приводится разработанный блок питания с выходной мощностью 150 Вт и представленный на рисунке 2 блок активного корректора коэффициента мощности.

Рисунок 2. Фрагмент активного ККМ разработанного блока питания

Для удобства и упрощения разработки была использована специализированная микросхема PFS7628H. Данная микросхема позволяет поддерживать уровень коэффициента мощности не меньше 0.95 при различных видах нагрузки, что существенно повышает КПД.

В качестве диода Шоттки VD6 использовались: C6D06065A на основе карбида кремния и кремниевый UltraFast VS-ETH1506-FP-M3. В таблице 1 приведена сравнительная характеристика данных диодов.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика диодов Шоттки C6D06065A и VS-ETH1506-FP-M3

Первый испытуемый показал очень низкие потери на нагрев и позволял схеме штатно выполнять свои функции. При включении же в цепь второго устройство переставало работать. Причина: выход из строя кремниевого диода из-за высокой частоты переключений и больших потерь на обратное восстановление.

Заключение

Хоть в настоящее время в большинстве источников питания используются кремниевые диоды, их все чаще заменяют полупроводники на основе карбида кремния, которые по ряду показателей их превосходят. На данный момент повсеместное внедрение SiC-диодов затрудняется только сложностью их производства и все еще высоким браком выхода, но с развитием технологий и методов эти аспекты будут с уверенностью преодолены и карбид кремния станет одним из самых популярных полупроводников в силовой электронике.

Список литературы:

1. Титце, У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство/ У Титце, К Шенк Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.
2. Литвинов, И.И. Электроника. Проектирование источника питания микроэлектронных устройств/ И.И. Литвинов, М.А. Купарев, В.Е. Глазырин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. - 115 с.
3. Браун ,М. Источники питания. Расчет и конструирование,/ М.  Браун - МК-Пресс, 2007. - 288 с.