/引言/
碳化矽(SiC)裝置憑藉其出色的電氣和熱性能,正逐步取代傳統矽(Si)裝置,成為高效能電子系統中的新寵。那麼,SiC到底有何獨特之處呢?特別是在反向恢復特性方面,它們又是如何改變遊戲規則的呢?讓我們一探究竟!
碳化矽(SiC)裝置憑藉其出色的電氣和熱性能,正逐步取代傳統矽(Si)裝置,成為高效能電子系統中的新寵。那麼,SiC到底有何獨特之處呢?特別是在反向恢復特性方面,它們又是如何改變遊戲規則的呢?讓我們一探究竟!
在傳統矽功率元件中,反向恢復現象主要與它們內部的寄生二極體有關,指二極體從導通狀態(正向偏壓)切換到反向阻斷狀態(反向偏壓)時,產生的短暫反向恢復電流和反向恢復時間的現象。
其形成主要是由於在裝置導通狀態下,載流子(電子和電洞)累積並注入到兩極之間的電荷儲存區域。當電壓反轉時,這些儲存的電荷需要先被移除或複合,才能使元件完全進入反向阻斷狀態。為了移除這些載子,會出現一個反向電流,這就是反向恢復電流,這個過程持續的時間就稱為反向恢復時間,時間長短主要取決於裝置內部載流子的儲存量、載子的複合速度和擴散速度,溫度等因素。這個反向恢復電流會疊加到換流開關管的開通過程中,形成開關管的開通電流尖峰。
圖1. 不同組合下換流,開關管的開通電流波形
現在問題來了:SiC裝置到底有沒有反向恢復現象呢?
在回答這個問題之前,先來看幾張實驗波形,如圖1(a)、1(b)、1(c),採用如圖1(d)所示的雙脈衝測試平台進行雙脈衝測試所得,其中紅色波形顯示的是流經開關管的開通電流,黑色波形是開關管兩端的電壓。
可以看到無論是採用Si二極體、SiC-MOS的寄生二極管,或是SiC的肖特基二極體進行換流,都觀察到在開關管上的開通電流尖峰。這是不是意味著無論Si還是SiC都存在反向復原的問題呢?
為了澄清這個問題,需要回到前面闡述的二極體反向恢復的機制。反向恢復主要是由於少數載子的儲存效應所導致的。 Si二極體以及SiC-MOS的寄生二極體因為都是雙極性導電結構,因此存在反向恢復效應。而蕭特基二極體採用的是單極性載子裝置,因此SiC的蕭特基二極體沒有少數載子儲存效應,反向恢復現象應該是不存在的。
圖2(a). 基於Spice的模擬平台
圖2(b). 基於Spice的模擬波形
圖3. SiC肖特基二極體的等效圖
如前述分析,SiC肖特基二極體應該不存在反向恢復現象,但是為什麼採用SiC肖特基二極體換流時,開關管依然存在開通電流尖峰?為了方便分析這個問題,基於Spice模型建構模擬平台進行分析,如圖2所示。
從圖2(b)的仿真,可以觀測到與實測類似的波形,即SiC-MOS與SiC肖特基二極體換流時,存在開關管開通的電流尖峰。進一步分析,肖特基二極體可以等效為如下圖3所示的二極體與寄生電容並聯的結構。
圖4(a). 額外並聯電容模擬不同寄生電容的Spice模擬電路
圖4(b). 考慮肖特基二極體的寄生電容的Spice模擬電路
透過查詢SiC肖特基二極體IDW30G120C5B的手冊,寄生電容如表1所示。二極體兩端電壓為800V時,其寄生電容為111pF。考慮這個因素,並聯額外電容Ca,如圖4(a)所示。考慮Ca(none, 100pF, 200pF, 300pF)模擬不同寄生電容對開通的影響,其模擬結果如圖4(b)所示。
表1. IDW30G120C5B的寄生電容
表2. 不同的Ca下的模擬結果總結
根據圖4(b)以及資料總表2,可以看到越大的等效寄生電容Ca,會造成越大的開關管的電流尖峰。因此,在選擇SiC元件時,寄生電容是一個重要參數。
綜上所述,儘管SiC肖特基二極管理論上不存在反向恢復電流,但由於寄生電容的存在(包括二極體的輸出電容Coss和系統寄生電容,如PCB的寄生電容),在上下橋臂換向過程中,續流橋臂的電容Coss和系統寄生電容,如PCB的寄生電容),在上下橋臂換向過程中,續流橋臂的電容式充電電流會疊加到開關元件上,產生類似反向恢復器件上,產生類似於反向恢復電流的效應。這可能會導致開關管導通時的電流應力增加。
因此,在設計時需要特別注意盡可能減少系統的寄生電容。透過優化PCB佈局和選擇合適的裝置,可以最大限度地降低寄生電容帶來的負面影響,從而提高系統的可靠性。
文章來源:英飛凌工業半導體
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