Si和SIC碳化硅二极管反向恢复电流[转]_我才是千年陈醋

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Si和SIC碳化硅二极管反向恢复电流[转]

(2018-10-03 19:42:58)

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杂谈

二极管的动态特性对于需要高频开关的功率电子应用非常重要，如开关模式电源、功率因数校正、感应加热功率变频器、电机驱动等。低开关能量损耗是高频开关的关键，它将有效减小系统体积，提高效率。图1给出了典型功率电子系统的示意图，这个电路也称为“钳位感性负载开关电路”。
当开关开启时，负载电流从二极管(通常称为惯性二极管)转移到开关。在开关转换的瞬间，二极管从正向导通变为反向阻断。二极管的反向恢复时间是转变过程的重要参数，因为它决定了二极管和开关的峰值电流，以及在转换期间这两个器件上的损耗量。

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图1 由一个开关和一个自由旋转二极管组成的功率电子系统阻塞结构

在25、75和150的温度下评价以下三种SIC二极管反向恢复瞬态特性：UPSC200(Microsemi制造, 200V、1A). SDT06S60 (Infineon制造, 600V、1A) 和CSD10120 (Cree制造,1200V、5A)。图2、图3和图4分别给出了三种SIC二极管的反向恢复电流波形。为了保证安全工作，这组器件测量时所加的直流电压分别为126V、400V和1000V。

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图2 V_DC=126V，25、75和150温度下IR 10CTQ150(150V/5A)Si SBD和Microsemi UPSC200(200V/1A)SIC SBD的反向恢复电流波形，箭头方向为温度增加方向
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图3 V_DC=400V，25、75和150温度下Infineon SDT06S60(600V/6A)SIC SBD和IXYS DSE18-06A(600V/8A)超快Si二极管的反向恢复电流波形，箭头方向为温度增加方向

图2中比较的Si器件为150V、5A的肖特基二极管，在器件正向电流为1A工作时进行了测量。可以清楚地看出，随着温度增加，Si二极管的恢复时间和峰值电流明显增加。由于肖特基二极管的热生少数载流子随温度指数增加exp(-Eg /2kT)，使Si肖特基二极管的反向恢复电荷随温度增加。另外，当温度从25增加到150时，SIC肖特基二极管的反向恢复时间和峰值电流没有明显变化，反向恢复曲线彼此重叠。而且，SIC肖特基二极管的反向恢复电流明显比Si小。
与SDT06S60 SIC二极管比较的Si二极管是IXYS公司的DSEI8-06A(600V、8A)。两个器件在400V、3A条件下进行测试。可以看出，Si器件的反向恢复峰值电流从室温时的4A增加到150时的8A。反向恢复时间也显著增加。SIC SBD在不同温度下，当反向峰值电流低于2A时，反向恢复电流波形几乎保持不变。图4对1200V的SIC二极管和1200V的超快速Si二极管(IXYS的DSEP30-12A)也进行了类似的比较。

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图4 V_DC=1000V，25、75和150温度下CREE CSD10120(1200V/5A)SIC SBD和IXYS DSEP30-12A(1200V/30A)超快Si二极管的反向恢复电流波形，箭头方向为温度增加方向

可以看出，这三种阻断电压的SIC SBD，反向恢复电流曲线不随温度增加而增加。这是因为，对于单极器件，其反向恢复电流主要是由于器件内部的结电容、管壳封装电容等充放电引起的。相反，Si器件在较高温度时，反向恢复时间和峰值电流都明显增加。可以解释为，高温时少数载流子注入和电荷存储量增加。随着器件额定电压增加，Si功率器件存储电荷也增加，这是由于电荷存储层厚度的增加。这些可以说明SIC SBD在更高额定电压时具有更明显的优势。
彻底减小反向恢复电流和电荷，实际上是减小了二极管的动态功耗。另外，对于接近零恢复时间的SIC SBD，也可以相应减小开关的开启能量。因为功率开关的开启功耗通常大于二极管自身的动态功耗。惯性二极管SiC MPS和Si PIN二极管在高功率应用中，当高于2.5kV、30A时，可以减小开关损耗。图5是以SIC MPS或Si二极管为惯性二极管的感性负载半桥钳位电路，开关开启瞬态的电压、电流和功率波形图。二极管的关断功耗从8.0mJ减小到4.6mJ，而IGBT的开启功耗从54mJ减小到34mJ。

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图5 采用Si MPS二极管或Si PIN二极管作为自由旋转二极管的感性负载半桥反相器中二极管截止及Si IGBT波形图

许多高频功率电路用功率MOSFET做开关。在这些电路中，应用Si PIN二极管时，电路的开关速度会受二极管的限制。如果用单极SIC二极管代替双极Si PIN，整个功率电路只包含单极半导体器件，开关速度可以明显增加。如图6所示，据报道在功率因数校正电路中，结合使用SIC肖特基二极管和高于600V的CoolMOS，可以使其工作在400kHz，而且开关损耗也不大。从图中可以看出，这样的组合也可以应用于1MHz以上的开关电路中。SIC SBD作为零恢复二极管，对高频功率电路有很大改善。
SIC二极管独特的高温特性使其在高温环境的功率应用中具有潜在优势。然而，由于缺乏SIC三端开关的商业化产品，商业化SIC二极管的高温应用潜力还没有完全发挥。

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图6 由600V MOSFET，SIC二极管或Si二极管组成的功率因数校正电路中效率的比较情况，采用高质量单极开关和SIC二极管时的开关损耗一直很低，而且在高达400kHz的频率时效率几乎不变

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