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Si和SIC碳化硅二極管動態特性比較

作者:海飛樂技術 時間:2019-04-26 16:26

  二極管的動態特性對于需要高頻開關的功率電子應用非常重要,如開關模式電源、功率因數校正、感應加熱功率變頻器、電機驅動等。低開關能量損耗是高頻開關的關鍵,它將有效減小系統體積,提高效率。圖1給出了典型功率電子系統的示意圖,這個電路也稱為“鉗位感性負載開關電路”。
  當開關開啟時,負載電流從二極管(通常稱為慣性二極管)轉 移到開關。在開關轉換的瞬間,二極管從正向導通變為反向阻斷。二極管的反向恢復時間是轉變過程的重要參數,因為它決定了二極管和開關的峰值電流,以及在轉換期間這兩個器件上的損耗量。

由一個開關和一個自由旋轉二極管組成的功率電子系統阻塞結構 
圖1 由一個開關和一個自由旋轉二極管組成的功率電子系統阻塞結構
 
  在25℃、75℃和150℃的溫度下評價以下三種SIC二極管反向恢復瞬態特性: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。
SIC SBD的反向恢復電流波形,箭頭方向為溫度增加方向
圖2 VDC=126V,25℃、75℃和150℃溫度下IR 10CTQ150(150V/5A)Si SBD和Microsemi UPSC200(200V/1A)SIC SBD的反向恢復電流波形,箭頭方向為溫度增加方向
超快Si二極管的反向恢復電流波形,箭頭方向為溫度增加方向
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二極管的反向恢復電流波形,箭頭方向為溫度增加方向

  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工作時進行了測量??梢郧宄乜闯?,隨著溫度增加,Si二極管的恢復時間和峰值電流明顯增加。由于肖特基二極管的熱生少數載流子隨溫度指數增加exp(-Eg /2kT),使Si肖特基二極管的反向恢復電荷隨溫度增加。另外,當溫度從25℃增加到150℃時,SIC肖特基二極管的反向恢復時間和峰值電流沒有明顯變化,反向恢復曲線彼此重疊。而且,SIC肖特基二極管的反向恢復電流明顯比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條件下進行測試??梢钥闯?,Si器件的反向恢復峰值電流從室溫時的4A增加到150℃時的8A。反向恢復時間也顯著增加。SIC SBD在不同溫度下,當反向峰值電流低于2A時,反向恢復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)也進行了類似的比較。
超快Si二極管的反向恢復電流波形,箭頭方向為溫度增加方向 
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二極管的反向恢復電流波形,箭頭方向為溫度增加方向
 
  可以看出,這三種阻斷電壓的SIC SBD,反向恢復電流曲線不隨溫度增加而增加。這是因為,對于單極器件,其反向恢復電流主要是由于器件內部的結電容、管殼封裝電容等充放電引起的。相反,Si器件在較高溫度時,反向恢復時間和峰值電流都明顯增加??梢越忉尀?,高溫時少數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勢。
  徹底減小反向恢復電流和電荷,實際上是減小了二極管的動態功耗。另外,對于接近零恢復時間的SIC SBD,也可以相應減小開關的開啟能量。因為功率開關的開啟功耗通常大于二極管自身的動態功耗。慣性二極管SiC MPS和Si PIN二極管在高功率應用中,當高于2.5kV、30A時,可以減小開關損耗。圖5是以SIC MPS或Si二極管為慣性二極管的感性負載半橋鉗位電路,開關開啟瞬態的電壓、電流和功率波形圖。二極管的關斷功耗從8.0mJ減小到4.6mJ,而IGBT的開啟功耗從54mJ減小到34mJ。
采用Si MPS二極管或Si PIN二極管作為自由旋轉二極管的感性負載半橋反相器中二極管截止及Si IGBT波形圖 
圖5 采用Si MPS二極管或Si PIN二極管作為自由旋轉二極管的感性負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。在這些電路中,應用Si PIN二極管時,電路的開關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體器件,開關速度可以明顯增加。如圖6所示,據報道在功率因數校正電路中,結合使用SIC肖特基二極管和高于600V的CoolMOS,可以使其工作在400kHz,而且開關損耗也不大。從圖中可以看出,這樣的組合也可以應用于1MHz以上的開關電路中。SIC SBD作為零恢復二極管,對高頻功率電路有很大改善。
  SIC二極管獨特的高溫特性使其在高溫環境的功率應用中具有潛在優勢。然而,由于缺乏SIC三端開關的商業化產品,商業化SIC二極管的高溫應用潛力還沒有完全發揮。
由600V MOSFET,SIC二極管或Si二極管組成的功率因數校正電路中效率的比較情況 
圖6 由600V MOSFET,SIC二極管或Si二極管組成的功率因數校正電路中效率的比較情況,采用高質量單極開關和SIC二極管時的開關損耗一直很低,而且在高達400kHz的頻率時效率幾乎不變
 
 
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