碳化硅二極管

 

最初的二極管非常簡(jiǎn)單，但隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了升級(jí)的JFET、MOSFET和雙極晶體管。碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢(shì)明顯，它具有高開(kāi)關(guān)性能、高效率和高功率密度等特性，而且系統(tǒng)成本較低。這些二極管具有零反向恢復(fù)時(shí)間、低正向壓降、電流穩(wěn)定性、高抗浪涌電壓能力和正溫度系數(shù)。

 

新型二極管適合各種應(yīng)用中的功率變換器，包括光伏太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)車（EV）充電器、電源和汽車應(yīng)用。與傳統(tǒng)硅材料相比，新型二極管具有更低的漏電流和更高的摻雜濃度。硅材料具有一個(gè)特性，就是隨著溫度的升高，其直接表征會(huì)發(fā)生很大變化。而碳化硅是一種非常堅(jiān)固且可靠的材料，不過(guò)碳化硅仍局限于小尺寸應(yīng)用。

 

檢測(cè)碳化硅二極管

 

本文要檢測(cè)的碳化硅二極管為羅姆半導(dǎo)體的SCS205KG型號(hào)，它是一種SiC肖特基勢(shì)壘二極管（圖2）。其主要特性如下：

 

˙反向電壓Vr：1200V;

˙連續(xù)正向電流If：5A（+150℃時(shí)）;

˙浪涌非重復(fù)正向電流：23A（PW=10ms正弦曲線，Tj=+25℃；

˙浪涌非重復(fù)正向電流：17A（PW=10ms正弦曲線，Tj=+150℃）；

˙浪涌非重復(fù)正向電流：80A（PW=10μs方波，Tj=+25℃）；

˙總功耗：88W；

˙結(jié)溫：+175℃；

˙TO-220AC封裝。

 

圖2:羅姆SCS205KGSiC二極管

 

羅姆半導(dǎo)體公司的SCS205KGSiC二極管性能穩(wěn)固，恢復(fù)時(shí)間短且切換速度快。其官方SPICE模型允許用戶在任何條件下對(duì)器件進(jìn)行仿真。

 

正向電壓

 

首先，我們測(cè)量SiC二極管的正向電壓。圖3所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試電路及其三維示意圖，以及在不同的工作溫度下，器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中有關(guān)正向電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)摘錄。

 

圖3：SiC二極管的正向電壓測(cè)試原理圖

 

測(cè)試接線圖中，肖特基SCS205KGSiC二極管與一個(gè)阻值約6.7歐姆的電阻串聯(lián)，以允許5A的電流通過(guò)電路。其電源電壓設(shè)置為36V。為了更好地優(yōu)化功耗和散熱性能，我們使用了十個(gè)并聯(lián)的67歐姆電阻，以模擬單個(gè)6.7ohm電阻。每個(gè)電阻的功率必須至少為20W。肖特基二極管SCS205KG的數(shù)據(jù)手冊(cè)中明確了在各種工作溫度下器件兩端的電壓值：

 

If=5A,Tj=+25℃:1.4V;

 

If=5A,Tj=+150℃:1.8V;

 

If=5A,Tj=+175℃:1.9V.

 

這些數(shù)據(jù)說(shuō)明了二極管兩端的電壓高度依賴于溫度。因此，設(shè)計(jì)人員必須盡可能地抑制這種電壓波動(dòng)，以免影響最終的系統(tǒng)性能。我們使用如下的SPICE指令，在0℃至200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行直流掃描仿真，以測(cè)量功率二極管兩端的電壓：

 

.DCtemp020025

 

仿真結(jié)果返回了在不同溫度下二極管上的電壓值，這些數(shù)據(jù)完全符合器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的指標(biāo)。其中紅色框中包含了文檔中報(bào)告的測(cè)試溫度。

 

表1：溫度與測(cè)得電壓值.

 

如圖4所示，隨著溫度的變化，綠色曲線表示二極管陽(yáng)極上固定的36V電壓，黃色曲線表示陰極上的電壓變化。其電位差構(gòu)成了“正向電壓”。由于陽(yáng)極和陰極的電壓之間存在代數(shù)差，從圖中可以觀察到器件上存在電位差。該測(cè)試必須在幾秒鐘內(nèi)完成。

 

圖4：仿真在時(shí)域中測(cè)量SiC二極管的正向電壓

 

電容電抗

 

其次，我們測(cè)量SiC二極管的電容電抗。圖5所示為簡(jiǎn)單的測(cè)試電路及其三維示意圖。

 

圖5：SiC二極管電容電抗測(cè)試示意圖

 

在電路圖中，肖特基SiC二極管SCS205KG與一個(gè)阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯(lián)。另有一個(gè)阻值很高的第二電阻與二極管并聯(lián)。電源電壓是設(shè)置為1V的正弦波電源。我們可以執(zhí)行如下的SPICE指令進(jìn)行AC仿真，在200MHz至2MHz頻率范圍內(nèi)，對(duì)功率二極管的電容電抗進(jìn)行測(cè)量：

 

.AClin10000.2Meg2Meg

 

仿真結(jié)果（參見(jiàn)圖6）顯示出在正弦波不同頻率下的不同電容電抗。

 

圖6：該仿真在頻域中測(cè)量SiC二極管的電容電抗。二極管表現(xiàn)為一個(gè)小型電容器，容值取決于所承受的頻率。

 

如圖7所示，我們采用如下公式測(cè)量二極管的電容電抗。它發(fā)生在頻域中的AC。

 

IM(V(n002)/I(R1))

 

圖7：二極管電容電抗的計(jì)算公式

 

二極管可以用電容器代替，以便用真實(shí)器件來(lái)執(zhí)行另一個(gè)仿真。

 

反向電流

 

第三個(gè)要測(cè)量的是SiC二極管的反向電流。圖8所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試電路及其三維示意圖，以及在不同的工作溫度下，器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中有關(guān)反向電流的相關(guān)數(shù)據(jù)摘錄。

 

圖8：SiC二極管反向電流的測(cè)試示意圖

 

電路圖（圖8）中，肖特基SiC二極管SCS205KG與一個(gè)阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯(lián)。電源電壓是設(shè)置為1200V的正弦波電源。二極管以反向模式連接。我們采用如下SPICE指令，執(zhí)行DC仿真（掃頻），測(cè)試在+20℃至+200℃的溫度范圍內(nèi)流過(guò)二極管的反向電流。

 

.DCTEMP202001

 

如圖9所示，隨溫度變化，二極管上只有很少的反向電流經(jīng)過(guò)。

 

圖9：該仿真測(cè)試了SiC二極管兩端的反向電流在溫度域的變化情況

 

圖10（電壓V與電流I）顯示了在+25℃的恒定溫度下，當(dāng)施加到二極管的電壓在0V至1200V之間變化時(shí)，反向電流的變化曲線。

 

圖10：在25℃溫度下，反向電流與施加到二極管上的電壓關(guān)系圖。

 

結(jié)論

 

碳化硅二極管具有非常快速的恢復(fù)時(shí)間，這可提高開(kāi)關(guān)速率，并減小磁性元件和其它無(wú)源元件的尺寸，從而使最終產(chǎn)品具有更高的功率密度。對(duì)于電源開(kāi)關(guān)應(yīng)用，碳化硅二極管在效率和熱性能方面也具備顯著的優(yōu)勢(shì)。這種器件可以在更高的溫度下運(yùn)行，而溫度是改變電子器件工作條件的重要因素。如果采用真正的SiC器件進(jìn)行真實(shí)測(cè)試與仿真會(huì)更加有趣，這樣可以評(píng)估仿真器以及SPICE模型的功效和實(shí)用性。
（來(lái)源：電子發(fā)燒友）