一種新型SiC SBD的高溫反向恢復(fù)特性

  相比于Si半導(dǎo)體材料，SiC半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度較大、臨界電場較大、熱導(dǎo)率較高的特點(diǎn)，SiC半導(dǎo)體器件具有導(dǎo)通電阻小、阻斷電壓高、耐高溫耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。隨著SiC基半導(dǎo)體工藝的成熟，SiC成為工作于較高環(huán)境溫度和較大功率場合下的首選寬禁帶半導(dǎo)體材料。
 
  近年來隨著電力電子技術(shù)在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、柔性輸電等新能源領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，現(xiàn)代社會對電力電子變換器的效率和功率密度提出了更高的要求，需要器件在較高溫度環(huán)境時(shí)仍具有更優(yōu)越的開關(guān)性能以及更小的結(jié)溫和結(jié)溫波動。
 
  SiC肖特基勢壘二極管(SBD)在高頻、高溫、高功率及惡劣環(huán)境仍能正常工作，且具有良好的開關(guān)性能，在上述領(lǐng)域中有巨大的潛力。如在航空靜止變流器中，作為前級變換器的橋式逆變器的副邊采用SiC SBD，高溫環(huán)境下仍然保持良好的反向恢復(fù)特性，能夠提高高溫環(huán)境下功率系統(tǒng)的效率。SiC SBD在常溫下顯示出優(yōu)于Si基快速恢復(fù)二極管的動態(tài)特性:反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)電流峰值小。為了充分發(fā)揮SiC SBD在高溫下工作的優(yōu)勢，改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，研究SiC SBD在高溫條件下的反向恢復(fù)特性有著十分重要的意義。
 
  本文制作了具有場限環(huán)結(jié)終端和Ti肖特基接觸的1.2kV/30A SiC SBD器件，TOP3封裝?；陔p開關(guān)模擬雙脈沖控制信號的實(shí)驗(yàn)電路，研究了100～300℃時(shí)該SiC SBD的反向恢復(fù)特性，著重討論了高溫下SiC SBD在反向恢復(fù)過程中能量損耗的物理成因。
 
  1. 雙開關(guān)模擬雙脈沖控制的實(shí)驗(yàn)電路
  通常使用高功率脈沖發(fā)生電路來實(shí)現(xiàn)對SBD反向恢復(fù)特性的測試。但由于脈沖發(fā)生電路中的電感元件放電時(shí)間僅為微秒級別，因此受脈沖信號上升時(shí)間與下降時(shí)間的影響較大，較難保證在電感放電結(jié)束之前完成開關(guān)態(tài)的切換。
 
  本文提出了一種雙開關(guān)模擬雙脈沖控制信號來測試SiC SBD的反向恢復(fù)特性，測試電路如圖1(a)所示。實(shí)驗(yàn)采用兩路獨(dú)立的方波信號V1和V2作為開關(guān)控制信號，頻率均設(shè)置為10kHz，幅值為10V，以保證MOSFET(M1，M2)在控制信號作用下可以完全開啟。波形時(shí)序示意圖如圖1(b)所示，圖中VD為SiC SBD兩端的電壓，ID為通過SiC SBD的電流。

 
  當(dāng)M1和M2有一個(gè)開啟或均開啟的情況下，由于MOSFET上壓降很小，此時(shí)VDC電壓幾乎全部加在SiC SBD兩端使二極管反偏。開始階段M1和M2均開啟，SBD反偏，t0時(shí)刻關(guān)斷M2，SBD仍保持反偏。t1時(shí)刻再關(guān)斷M1，由于電感電流需要保持連續(xù)，因此形成放電回路使SiC SBD正偏，正偏持續(xù)時(shí)間由電阻R與電感L構(gòu)成的一階RL放電回路決定，時(shí)間常數(shù)τ為   t2時(shí)刻開啟M2，VDC再次加在SiC SBD上使二極管形成反偏，完成了從正偏到反偏的反向恢復(fù)過程。
 
  該測試電路通過調(diào)整V1和V2同時(shí)處于低電平的時(shí)間t_low12來控制正偏電流的大小。以電感L開始放電為t=0時(shí)刻，設(shè)電阻與電感構(gòu)成的一階RL放電回路的瞬時(shí)電流為i，則回路的KVL方程為 式中IDC為MOSFET一個(gè)開啟或均開啟并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)流過直流電壓源的電流。則SBD正偏電流為  
  2. SiC SBD的高溫反向動態(tài)特性分析
  反向恢復(fù)特性是評價(jià)功率二極管性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，一般包括二極管兩端電壓的反向恢復(fù)過程，流過二極管電流的反向恢復(fù)過程以及二極管反向恢復(fù)過程中的能量損耗。在衛(wèi)星、航空和航天探測等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)，其反向恢復(fù)特性可能會受到不同反偏電壓、環(huán)境溫度等外部因素的影響，因此，本文采用控制變量法對高溫工作環(huán)境下的SiC SBD進(jìn)行分析和研究。本文制作的器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖與封裝前后的器件實(shí)物圖如圖2所示。  
  對制備的SBD進(jìn)行高溫反向動態(tài)特性測試:
  (1)直流電流源提供的直流反偏電壓一定時(shí)(分別為200，400，600V)，不同環(huán)境溫度(T)下SiC SBD的反向恢復(fù)電壓(VRR分別如圖3所示。  
  SiC SBD的反向恢復(fù)過程中，在一個(gè)反向電壓尖峰過沖后，其關(guān)斷才能趨于穩(wěn)定。這個(gè)電壓尖峰與SiC SBD的封裝、引線、n-摻雜區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)和寄生電容效應(yīng)有關(guān)。
 
  進(jìn)一步分析圖3中數(shù)據(jù)，得到SiC SBD在不同溫度下的反向電壓尖峰值Vs如圖4所示。  
  反偏電壓分別為200，400，600V時(shí)SiC SBD在100℃時(shí)的反向電壓尖峰值相對200℃時(shí)分別增大了4.70%，1.97%和4.50%；300℃相對200℃時(shí)的反向電壓尖峰分別增大了6.69%，6.20%和6.85%。
 
  (2)當(dāng)反偏電壓一定時(shí)(分別為200，400，600V)，不同溫度下SBD的反向恢復(fù)電流(IRR)如圖5所示。  
  反向恢復(fù)電流受溫度、直流反偏電壓等因素影響不大，反向恢復(fù)電流尖峰幾乎不變。
 
  對上述反向恢復(fù)電流密度J(t)進(jìn)行積分，即   直流電壓源提供的直流反偏電壓為600V時(shí)SiC SBD反向恢復(fù)電荷Q如圖6所示，圖中αφ為反向恢復(fù)電荷增長率。  
  600V直流反偏電壓下SBD中耗盡層電容的積累電荷隨著溫度的升高而逐漸減小，100~200℃時(shí)，反向恢復(fù)電荷量減小7.3%，200~300℃時(shí)耗盡層電容的電荷量減小21.8%。
 
  3. SiC SBD高溫反向恢復(fù)過程中的能量損耗
  3.1 SiC SBD反向恢復(fù)過程中能量損耗的理論模型
  半導(dǎo)體與金屬接觸，金-半界面形成勢壘，如圖7所示，圖中Ec為半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，Ec為半導(dǎo)體的價(jià)帶，EF為費(fèi)米能級，q為電子電荷量。這個(gè)勢壘影響了SiC SBD的耗盡層電容。  
  金屬與n型摻雜的SiC接觸，單位面積的耗盡層電容C'D受到高溫環(huán)境的約束，定量關(guān)系為 式中:εs為SiC SBD半導(dǎo)體一側(cè)的介電常數(shù);Vbi為半導(dǎo)體與金屬接觸在金-半界面產(chǎn)生的勢壘高度;VR為SiC SBD兩端的反偏電壓;ND為金-半接觸的n區(qū)摻雜濃度;k為玻耳茲曼常數(shù)。
 
  影響SiC SBD的反向恢復(fù)的過程主要因素是SiC SBD的耗盡層電容。
 
  能量損耗WRR與電荷量的關(guān)系為 式中CD為總的耗盡層電容。
 
  假定SiC SBD反向恢復(fù)過程中的能量損耗WRR來源于耗盡層電容積累電荷的釋放，將式(6)代入式(7)得到SiC SBD反向恢復(fù)過程中能量損耗的理論表達(dá)式為 式中A為金-半的接觸面積。
 
  根據(jù)圖6的分析，反向恢復(fù)電荷Q隨著溫度的升高而減小。由式(8)可得，總的耗盡層電容CD隨著溫度的升高而增大;SiC SBD反向恢復(fù)過程中能量損耗隨著溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢。
 
  3.2理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
  SiC SBD的反向恢復(fù)過程中，反向恢復(fù)電壓存在反向電壓尖峰振蕩，而反向恢復(fù)電流受到反向恢復(fù)時(shí)間的限制并不能立刻歸零，使得SiC SBD反向恢復(fù)損耗功率特性曲線存在功率尖峰現(xiàn)象。由下式可以得到反向恢復(fù)損耗功率P_RRL為  
  工作環(huán)境溫度的升高會使得反向恢復(fù)損耗功率特性曲線功率尖峰值變小，SiC SBD反向恢復(fù)過程中的損耗功率也隨著溫度的升高而降低，這與式(8)得出的變化趨勢相同。Si基快速恢復(fù)二極管的反向損耗功率隨著溫度的升高而升高，SiC SBD與Si基快速恢復(fù)二極管反向恢復(fù)功率損耗與溫度的關(guān)系恰好相反。
 
  由圖8可得100~300℃的升溫過程中，溫度每升高50℃，反向恢復(fù)損耗功率尖峰(P)的平均增幅(αP)為-5%。溫度升高使得反向電壓尖峰增強(qiáng)，反向恢復(fù)電流也會隨溫度細(xì)微變化。兩個(gè)物理量受溫度的綜合影響較明顯，這一點(diǎn)在反向恢復(fù)損耗功率尖峰上得以體現(xiàn)。  
  反向恢復(fù)過程中的能量損耗WRR與反向恢復(fù)損耗功率的關(guān)系為   經(jīng)過計(jì)算，可以得到各溫度下SiC SBD反向恢復(fù)過程中的能量損耗，與理論值的對比如圖9所示。各直流反偏電壓下反向恢復(fù)過程中的能量損耗理論值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，這驗(yàn)證了本文提出的理論模型。100~200℃的升溫過程中，直流反偏電壓為600V時(shí)能量損耗減少9.1%，直流反偏電壓為400V時(shí)能量損耗減少8.6%，直流反偏電壓為200V時(shí)能量損耗減少5.7%。它們一致反映了反向恢復(fù)過程中的能量損耗隨著溫度的升高而降低。  
  SiC SBD的反偏電壓會影響反向恢復(fù)過程中能量損耗對溫度的敏感性。反偏電壓越大，反向恢復(fù)過程中能量損耗對溫度越敏感。這一點(diǎn)在高溫環(huán)境中使用SiC SBD尤為重要。
 
  4. 結(jié)論
  本文制作了具有場限環(huán)結(jié)終端和Ti肖特基接觸的1.2kV/30A SiC SBD器件，采用雙開關(guān)模擬雙脈沖控制信號的實(shí)驗(yàn)電路，研究了該器件在100~300℃高溫環(huán)境中不同反偏電壓下的反向恢復(fù)特性，包括:SiC SBD的反向恢復(fù)電壓、反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)過程中的能量損耗。實(shí)驗(yàn)表明溫度每上升100℃，SiC SBD的反向恢復(fù)過程中的反向電壓尖峰增加5%左右，而SiC SBD的反向恢復(fù)電流與反向恢復(fù)時(shí)間受溫度影響不大，該SiC SBD在高溫下仍具有優(yōu)良的開關(guān)性能。本文提出了反向恢復(fù)過程中的能量損耗的理論模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)基本吻合，驗(yàn)證了能量損耗來源于耗盡層電容積累電荷釋放的猜想。SiC SBD反向恢復(fù)過程中的損耗功率隨著溫度的升高而降低，這一點(diǎn)與Si基快速恢復(fù)二極管有著本質(zhì)的不同，在高溫環(huán)境中使用SiC SBD時(shí)應(yīng)該特別注意，以達(dá)到最優(yōu)效率設(shè)計(jì)的目的。



上一篇：碳化硅肖特基二極管的電荷收集特性
下一篇：一種新型的耐高溫碳化硅超結(jié)晶體管