??Si和SIC碳化硅二極管動態(tài)特性比較
作者：海飛樂技術(shù) 時間：2019-04-26 16:26
二極管的動態(tài)特性對于需要高頻開關(guān)的功率電子應(yīng)用非常重要，如開關(guān)模式電源、功率因數(shù)校正、感應(yīng)加熱功率變頻器、電機(jī)驅(qū)動等。低開關(guān)能量損耗是高頻開關(guān)的關(guān)鍵，它將有效減小系統(tǒng)體積，提高效率。圖1給出了典型功率電子系統(tǒng)的示意圖，這個電路也稱為“鉗位感性負(fù)載開關(guān)電路”。
當(dāng)開關(guān)開啟時，負(fù)載電流從二極管(通常稱為慣性二極管)轉(zhuǎn) 移到開關(guān)。在開關(guān)轉(zhuǎn)換的瞬間，二極管從正向?qū)ㄗ優(yōu)榉聪蜃钄?。二極管的反向恢復(fù)時間是轉(zhuǎn)變過程的重要參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了二極管和開關(guān)的峰值電流，以及在轉(zhuǎn)換期間這兩個器件上的損耗量。
圖1 由一個開關(guān)和一個自由旋轉(zhuǎn)二極管組成的功率電子系統(tǒng)阻塞結(jié)構(gòu)
在25℃、75℃和150℃的溫度下評價以下三種SIC二極管反向恢復(fù)瞬態(tài)特性：UPSC200(Microsemi制造, 200V、1A). SDT06S60 (Infineon制造, 600V、1A) 和CSD10120 (Cree制造,1200V、5A)。圖2、圖3和圖4分別給出了三種SIC二極管的反向恢復(fù)電流波形。為了保證安全工作，這組器件測量時所加的直流電壓分別為126V、400V和1000V。
圖2 VDC=126V，25℃、75℃和150℃溫度下IR 10CTQ150(150V/5A)Si SBD和Microsemi UPSC200(200V/1A)SIC SBD的反向恢復(fù)電流波形，箭頭方向?yàn)闇囟仍黾臃较?/span>
圖3 VDC=400V，25℃、75℃和150℃溫度下Infineon SDT06S60(600V/6A)SIC SBD和IXYS DSE18-06A(600V/8A)超快Si二極管的反向恢復(fù)電流波形，箭頭方向?yàn)闇囟仍黾臃较?/span>
圖2中比較的Si器件為150V、5A的肖特基二極管，在器件正向電流為1A工作時進(jìn)行了測量?？梢郧宄乜闯觯S著溫度增加，Si二極管的恢復(fù)時間和峰值電流明顯增加。由于肖特基二極管的熱生少數(shù)載流子隨溫度指數(shù)增加exp(-Eg /2kT)，使Si肖特基二極管的反向恢復(fù)電荷隨溫度增加。另外，當(dāng)溫度從25℃增加到150℃時，SIC肖特基二極管的反向恢復(fù)時間和峰值電流沒有明顯變化，反向恢復(fù)曲線彼此重疊。而且，SIC肖特基二極管的反向恢復(fù)電流明顯比Si小。
與SDT06S60 SIC二極管比較的Si二極管是IXYS公司的DSEI8-06A(600V、8A)。兩個器件在400V、3A條件下進(jìn)行測試?？梢钥闯觯琒i器件的反向恢復(fù)峰值電流從室溫時的4A增加到150℃時的8A。反向恢復(fù)時間也顯著增加。SIC SBD在不同溫度下，當(dāng)反向峰值電流低于2A時，反向恢復(fù)電流波形幾乎保持不變。圖4對1200V的SIC二極管和1200V的超快速Si二極管(IXYS的DSEP30-12A)也進(jìn)行了類似的比較。
圖4 VDC=1000V，25℃、75℃和150℃溫度下CREE CSD10120(1200V/5A)SIC SBD和IXYS DSEP30-12A(1200V/30A)超快Si二極管的反向恢復(fù)電流波形，箭頭方向?yàn)闇囟仍黾臃较?/span>
可以看出，這三種阻斷電壓的SIC SBD，反向恢復(fù)電流曲線不隨溫度增加而增加。這是因?yàn)?，對于單極器件，其反向恢復(fù)電流主要是由于器件內(nèi)部的結(jié)電容、管殼封裝電容等充放電引起的。相反，Si器件在較高溫度時，反向恢復(fù)時間和峰值電流都明顯增加?？梢越忉尀?，高溫時少數(shù)載流子注入和電荷存儲量增加。隨著器件額定電壓增加，Si功率器件存儲電荷也增加，這是由于電荷存儲層厚度的增加。這些可以說明SIC SBD在更高額定電壓時具有更明顯的優(yōu)勢。
徹底減小反向恢復(fù)電流和電荷，實(shí)際上是減小了二極管的動態(tài)功耗。另外，對于接近零恢復(fù)時間的SIC SBD，也可以相應(yīng)減小開關(guān)的開啟能量。因?yàn)楣β书_關(guān)的開啟功耗通常大于二極管自身的動態(tài)功耗。慣性二極管SiC MPS和Si PIN二極管在高功率應(yīng)用中，當(dāng)高于2.5kV、30A時，可以減小開關(guān)損耗。圖5是以SIC MPS或Si二極管為慣性二極管的感性負(fù)載半橋鉗位電路，開關(guān)開啟瞬態(tài)的電壓、電流和功率波形圖。二極管的關(guān)斷功耗從8.0mJ減小到4.6mJ，而IGBT的開啟功耗從54mJ減小到34mJ。
圖5 采用Si MPS二極管或Si PIN二極管作為自由旋轉(zhuǎn)二極管的感性負(fù)載半橋反相器中二極管截止及Si IGBT波形圖
許多高頻功率電路用功率MOSFET做開關(guān)。在這些電路中，應(yīng)用Si PIN二極管時，電路的開關(guān)速度會受二極管的限制。如果用單極SIC二極管代替雙極Si PIN，整個功率電路只包含單極半導(dǎo)體器件，開關(guān)速度可以明顯增加。如圖6所示，據(jù)報道在功率因數(shù)校正電路中，結(jié)合使用SIC肖特基二極管和高于600V的CoolMOS，可以使其工作在400kHz，而且開關(guān)損耗也不大。從圖中可以看出，這樣的組合也可以應(yīng)用于1MHz以上的開關(guān)電路中。SIC SBD作為零恢復(fù)二極管，對高頻功率電路有很大改善。
SIC二極管獨(dú)特的高溫特性使其在高溫環(huán)境的功率應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢。然而，由于缺乏SIC三端開關(guān)的商業(yè)化產(chǎn)品，商業(yè)化SIC二極管的高溫應(yīng)用潛力還沒有完全發(fā)揮。
圖6 由600V MOSFET，SIC二極管或Si二極管組成的功率因數(shù)校正電路中效率的比較情況，采用高質(zhì)量單極開關(guān)和SIC二極管時的開關(guān)損耗一直很低，而且在高達(dá)400kHz的頻率時效率幾乎不變
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