碳化硅二極管和硅二極管靜態(tài)性能比較

  本文將在相同額定電壓、電流條件下，對(duì)一些商業(yè)化SiC功率二極管和SI功率二極管的靜態(tài)性能進(jìn)行比較。選擇的碳化硅二極管包括Infineon公司的SDT10S30(300V、10A)、SDT06S60(600V、6A) 和 Cree公司的 CSD20060 (600V、10A).、CSD1020 (1200V.、5A)。選擇的硅器件是市場(chǎng)上性能最好的快速恢復(fù)二極管IXYS公司的DSEP8-03(300V、10A)和DSEP30-12A(1200V、30A)。
  圖1給出了不同溫度條件下，Infineon的SDT10S30和IXYS的DSEP8-03的正向I-V特性曲線。兩個(gè)器件的額定值都是300V、10A，并分別在25℃、100℃、200℃和10A時(shí)進(jìn)行測(cè)量。300V的Si肖特基二極管由于比導(dǎo)通電阻太大沒有商業(yè)化，所以采用IXYS的PIN器件。

 

  室溫時(shí)，碳化硅器件的正向壓降約為1.5V，硅器件為1.1V。圖1(a)可以清楚地看出兩個(gè)器件的差別。DSEP8-03作為雙極器件，由于有高劑量的少數(shù)載流子注入到外延區(qū)，隨著溫度升高正向壓降降低。另外，當(dāng)電流低于5A時(shí)，SIC肖特基二極管溫度系數(shù)為負(fù)，高于5A時(shí)，溫度系數(shù)為正。正向壓降隨溫度系數(shù)的變化機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了討論，可以看出與分析結(jié)果一致。
  硅器件在所有的工作電流和溫度范圍內(nèi)都具有低的開態(tài)壓降。低的壓降可以減小功率損耗，對(duì)電路應(yīng)用有利。然而，Si功率二極管有負(fù)的正向壓降溫度系數(shù)，這在并聯(lián)且處理大電流器件時(shí)不利。研究表明，當(dāng)器件并聯(lián)時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)將導(dǎo)致器件上的電流分配不均勻。當(dāng)這種不均衡達(dá)到一定數(shù)量級(jí)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生熱失配。但是，碳化硅器件在電流達(dá)到額定值的50%時(shí)，具有正的正向壓降溫度系數(shù)，所以在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)系統(tǒng)比較穩(wěn)定。
  圖1(b)中對(duì)CSD1020(Cree的1200V、5A的碳化硅二極管)和DSEP30-12A(IXYS的1200V、30A的硅二極管)進(jìn)行了類似的比較，獲得了正向I-V礦特性曲線。正向壓降溫度系數(shù)也表現(xiàn)出與前述相同的趨勢(shì)，Si雙極器件為負(fù)溫度系數(shù)，碳化硅二極管在不同的電流水平時(shí)表現(xiàn)出不同的極性(負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù))。
  需要指出的是，與碳化硅器件相比，硅器件的額定電流較高，室溫下達(dá)到額定電流(30A)時(shí)的正向壓降略大。還可以看出，與300V的碳化硅器件相比，很低的電流條件下，碳化硅器件的正向壓降溫度系數(shù)可以變?yōu)檎?。這可以解釋為：對(duì)于300V和1200V的碳化硅器件，當(dāng)膝點(diǎn)電壓保持相同時(shí)，對(duì)于高額定電壓的器件，由于需要較厚、輕摻雜的漂移區(qū)獲得所需的阻斷電壓，所以漂移區(qū)電阻對(duì)個(gè)器件起主要作用，相應(yīng)正向壓降時(shí)的電阻溫度系數(shù)也起主要作用。由于膝點(diǎn)電壓隨溫度升高而減小，漂移層電阻隨溫度升高而增加，所以1200V的碳化硅二極管的正向壓降溫度系數(shù)比300V的碳化硅二極管高。
  高溫條件下，增加的正向壓降對(duì)器件并聯(lián)有益，但會(huì)增加二極管的導(dǎo)通損耗。因此碳化硅二極管的總體導(dǎo)通損耗比硅器件高。
  二極管另一個(gè)重要的靜態(tài)參數(shù)是反向阻斷特性。圖2分別繪出了300V和1200V器件在不同溫度下的反向阻斷I-V特性曲線。  
  SIC SBD反向阻斷特性的反向漏電流大部分都在亞μA量級(jí)。對(duì)300V和1200V器件進(jìn)行比較可以看出，SIC SBD在電壓接近或超過額定電壓時(shí)，漏電流很小。實(shí)際應(yīng)用中，器件通常不會(huì)工作在這樣大的電壓下。從圖2中還可以看出，在200℃溫度條件下，Si PIN二極管的反向漏電流比相應(yīng)的碳化硅器件高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。過高的反向漏電流使硅器件不能在高溫下可靠工作。
  比較不同制造廠商制造的具有相同額定電壓、電流的SIC SBD的正向和反向I-V曲線，可以看出其差別不大。這些微小的差別在于不同的制造商采用了不同的工藝和特征尺寸。



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