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一種新型SiC SBD的高溫反向恢復特性

作者:海飛樂技術 時間:2018-08-08 17:10

  相比于Si半導體材料,SiC半導體材料具有禁帶寬度較大、臨界電場較大、熱導率較高的特點,SiC半導體器件具有導通電阻小、阻斷電壓高、耐高溫耐高壓等優點。隨著SiC基半導體工藝的成熟,SiC成為工作于較高環境溫度和較大功率場合下的首選寬禁帶半導體材料。
 
  近年來隨著電力電子技術在電動汽車、風力發電、柔性輸電等新能源領域中應用的不斷擴展,現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境時仍具有更優越的開關性能以及更小的結溫和結溫波動。
 
  SiC肖特基勢壘二極管(SBD)在高頻、高溫、高功率及惡劣環境仍能正常工作,且具有良好的開關性能,在上述領域中有巨大的潛力。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,高溫環境下仍然保持良好的反向恢復特性,能夠提高高溫環境下功率系統的效率。SiC SBD在常溫下顯示出優于Si基快速恢復二極管的動態特性:反向恢復時間短,反向恢復電流峰值小。為了充分發揮SiC SBD在高溫下工作的優勢,改進系統的穩定性和效率,研究SiC SBD在高溫條件下的反向恢復特性有著十分重要的意義。
 
  本文制作了具有場限環結終端和Ti肖特基接觸的1.2kV/30A SiC SBD器件,TOP3封裝?;陔p開關模擬雙脈沖控制信號的實驗電路,研究了100~300℃時該SiC SBD的反向恢復特性,著重討論了高溫下SiC SBD在反向恢復過程中能量損耗的物理成因。
 
  1. 雙開關模擬雙脈沖控制的實驗電路
  通常使用高功率脈沖發生電路來實現對SBD反向恢復特性的測試。但由于脈沖發生電路中的電感元件放電時間僅為微秒級別,因此受脈沖信號上升時間與下降時間的影響較大,較難保證在電感放電結束之前完成開關態的切換。
 
  本文提出了一種雙開關模擬雙脈沖控制信號來測試SiC SBD的反向恢復特性,測試電路如圖1(a)所示。實驗采用兩路獨立的方波信號V1和V2作為開關控制信號,頻率均設置為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。

雙開關模擬雙脈沖控制信號 
圖1 雙開關模擬雙脈沖控制信號
 
  當M1和M2有一個開啟或均開啟的情況下,由于MOSFET上壓降很小,此時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時刻關斷M2,SBD仍保持反偏。t1時刻再關斷M1,由于電感電流需要保持連續,因此形成放電回路使SiC SBD正偏,正偏持續時間由電阻R與電感L構成的一階RL放電回路決定,時間常數τ為
計算公式1 
  t2時刻開啟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過程。
 
  該測試電路通過調整V1和V2同時處于低電平的時間tlow12來控制正偏電流的大小。以電感L開始放電為t=0時刻,設電阻與電感構成的一階RL放電回路的瞬時電流為i,則回路的KVL方程為
計算公式2、3 
式中IDC為MOSFET一個開啟或均開啟并達到穩態時流過直流電壓源的電流。則SBD正偏電流為
計算公式4 
 
  2. SiC SBD的高溫反向動態特性分析
  反向恢復特性是評價功率二極管性能的一項重要參數,一般包括二極管兩端電壓的反向恢復過程,流過二極管電流的反向恢復過程以及二極管反向恢復過程中的能量損耗。在衛星、航空和航天探測等領域實際應用時,其反向恢復特性可能會受到不同反偏電壓、環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境下的SiC SBD進行分析和研究。本文制作的器件內部結構剖面圖與封裝前后的器件實物圖如圖2所示。
器件結構剖面圖與封裝前后器件實物圖 
圖2 器件結構剖面圖與封裝前后器件實物圖
 
  對制備的SBD進行高溫反向動態特性測試:
  (1)直流電流源提供的直流反偏電壓一定時(分別為200,400,600V),不同環境溫度(T)下SiC SBD的反向恢復電壓(VRR分別如圖3所示。
200,400和600V反向恢復電壓測試波形 
圖3 200,400和600V反向恢復電壓測試波形
 
  SiC SBD的反向恢復過程中,在一個反向電壓尖峰過沖后,其關斷才能趨于穩定。這個電壓尖峰與SiC SBD的封裝、引線、n-摻雜區電導調制效應和寄生電容效應有關。
 
  進一步分析圖3中數據,得到SiC SBD在不同溫度下的反向電壓尖峰值Vs如圖4所示。
200,400和600V時反向電壓尖峰值 
圖4 200,400和600V時反向電壓尖峰值
 
  反偏電壓分別為200,400,600V時SiC SBD在100℃時的反向電壓尖峰值相對200℃時分別增大了4.70%,1.97%和4.50%;300℃相對200℃時的反向電壓尖峰分別增大了6.69%,6.20%和6.85%。
 
  (2)當反偏電壓一定時(分別為200,400,600V),不同溫度下SBD的反向恢復電流(IRR)如圖5所示。
200,400和600V時反向恢復電流測試波形 
圖5 200,400和600V時反向恢復電流測試波形
 
  反向恢復電流受溫度、直流反偏電壓等因素影響不大,反向恢復電流尖峰幾乎不變。
 
  對上述反向恢復電流密度J(t)進行積分,即
計算公式5 
  直流電壓源提供的直流反偏電壓為600V時SiC SBD反向恢復電荷Q如圖6所示,圖中αφ為反向恢復電荷增長率。
反偏電壓600V時不同溫度下SiC SBD反向恢復電荷及增長率 
圖6 反偏電壓600V時不同溫度下SiC SBD反向恢復電荷及增長率
 
  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,反向恢復電荷量減小7.3%,200~300℃時耗盡層電容的電荷量減小21.8%。
 
  3. SiC SBD高溫反向恢復過程中的能量損耗
  3.1 SiC SBD反向恢復過程中能量損耗的理論模型
  半導體與金屬接觸,金-半界面形成勢壘,如圖7所示,圖中Ec為半導體的導帶,Ec為半導體的價帶,EF為費米能級,q為電子電荷量。這個勢壘影響了SiC SBD的耗盡層電容。
半導體與金屬接觸能帶示意圖 
圖7 半導體與金屬接觸能帶示意圖
 
  金屬與n型摻雜的SiC接觸,單位面積的耗盡層電容C'D受到高溫環境的約束,定量關系為
半導體與金屬接觸能帶示意圖 
式中:εs為SiC SBD半導體一側的介電常數;Vbi為半導體與金屬接觸在金-半界面產生的勢壘高度;VR為SiC SBD兩端的反偏電壓;ND為金-半接觸的n區摻雜濃度;k為玻耳茲曼常數。
 
  影響SiC SBD的反向恢復的過程主要因素是SiC SBD的耗盡層電容。
 
  能量損耗WRR與電荷量的關系為
計算公式7 
式中CD為總的耗盡層電容。
 
  假定SiC SBD反向恢復過程中的能量損耗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反向恢復過程中能量損耗的理論表達式為
計算公式8 
式中A為金-半的接觸面積。
 
  根據圖6的分析,反向恢復電荷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反向恢復過程中能量損耗隨著溫度的升高呈現下降趨勢。
 
  3.2理論模型的實驗驗證
  SiC SBD的反向恢復過程中,反向恢復電壓存在反向電壓尖峰振蕩,而反向恢復電流受到反向恢復時間的限制并不能立刻歸零,使得SiC SBD反向恢復損耗功率特性曲線存在功率尖峰現象。由下式可以得到反向恢復損耗功率PRRL
PRRL=VRR×IRR          (9)
 
  工作環境溫度的升高會使得反向恢復損耗功率特性曲線功率尖峰值變小,SiC SBD反向恢復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基快速恢復二極管反向恢復功率損耗與溫度的關系恰好相反。
 
  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,反向恢復電流也會隨溫度細微變化。兩個物理量受溫度的綜合影響較明顯,這一點在反向恢復損耗功率尖峰上得以體現。
反偏電壓600V時不同溫度下SiC SBD的反向恢復損耗功率尖峰及增長率 
圖8 反偏電壓600V時不同溫度下SiC SBD的反向恢復損耗功率尖峰及增長率
 
  反向恢復過程中的能量損耗WRR與反向恢復損耗功率的關系為
計算公式10 
  經過計算,可以得到各溫度下SiC SBD反向恢復過程中的能量損耗,與理論值的對比如圖9所示。各直流反偏電壓下反向恢復過程中的能量損耗理論值與實驗值基本吻合,這驗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時能量損耗減少9.1%,直流反偏電壓為400V時能量損耗減少8.6%,直流反偏電壓為200V時能量損耗減少5.7%。它們一致反映了反向恢復過程中的能量損耗隨著溫度的升高而降低。
反向恢復過程中SiC SBD的能量損耗實驗值與理論值比較 
圖9 反向恢復過程中SiC SBD的能量損耗實驗值與理論值比較
 
  SiC SBD的反偏電壓會影響反向恢復過程中能量損耗對溫度的敏感性。反偏電壓越大,反向恢復過程中能量損耗對溫度越敏感。這一點在高溫環境中使用SiC SBD尤為重要。
 
  4. 結論
  本文制作了具有場限環結終端和Ti肖特基接觸的1.2kV/30A SiC SBD器件,采用雙開關模擬雙脈沖控制信號的實驗電路,研究了該器件在100~300℃高溫環境中不同反偏電壓下的反向恢復特性,包括:SiC SBD的反向恢復電壓、反向恢復電流和反向恢復過程中的能量損耗。實驗表明溫度每上升100℃,SiC SBD的反向恢復過程中的反向電壓尖峰增加5%左右,而SiC SBD的反向恢復電流與反向恢復時間受溫度影響不大,該SiC SBD在高溫下仍具有優良的開關性能。本文提出了反向恢復過程中的能量損耗的理論模型,實驗結果與理論推導基本吻合,驗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反向恢復過程中的損耗功率隨著溫度的升高而降低,這一點與Si基快速恢復二極管有著本質的不同,在高溫環境中使用SiC SBD時應該特別注意,以達到最優效率設計的目的。




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