如何有效地檢測碳化矽(SiC)二極體?

2021-01-08 EDN電子設計技術

 roCednc

隨著寬禁帶半導體技術的日益普及，需要在高溫和苛刻的電流循環條件下，對二極體操作進行各種耐久性測試，以評估其性能。毫無疑問，功率電子器件作為基本元器件，將在未來幾年中持續發展。而新型碳化矽（SiC）半導體材料更是不負眾望，它比傳統矽材料導熱性更佳、開關速度更高，而且可以使器件尺寸做到更小。因此，碳化矽開關也成為設計人員的新寵。roCednc

碳化矽二極體主要為肖特基二極體。第一款商用碳化矽肖特基二極體十多年前就已推出。從那時起，它就開始進入電源系統。二極體已經升級為碳化矽開關，如JFET、BJT和MOSFET。目前市場上已經可以提供擊穿電壓為600-1700 V、且額定電流為1 A-60 A的碳化矽開關。本文的重點是如何有效地檢測Sic MOSFET。roCednc

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圖1: 首款商用SiC MOSEFT-CMF20120D。roCednc

碳化矽二極體

最初的二極體非常簡單，但隨著技術的發展，逐漸出現了升級的JFET、MOSFET和雙極電晶體。碳化矽肖特基二極體優勢明顯，它具有高開關性能、高效率和高功率密度等特性，而且系統成本較低。這些二極體具有零反向恢復時間、低正向壓降、電流穩定性、高抗浪湧電壓能力和正溫度係數。roCednc

新型二極體適合各種應用中的功率變換器，包括光伏太陽能逆變器、電動車（EV）充電器、電源和汽車應用。與傳統矽材料相比，新型二極體具有更低的漏電流和更高的摻雜濃度。矽材料具有一個特性，就是隨著溫度的升高，其直接表徵會發生很大變化。而碳化矽是一種非常堅固且可靠的材料，不過碳化矽仍局限於小尺寸應用。roCednc

檢測碳化矽二極體

本文要檢測的碳化矽二極體為羅姆半導體的SCS205KG型號，它是一種SiC肖特基勢壘二極體（圖2）。其主要特性如下：roCednc

反向電壓Vr：1200 V 連續正向電流If：5 A（+ 150℃時） 浪湧非重複正向電流：23 A（PW = 10ms正弦曲線，Tj = + 25℃ 浪湧非重複正向電流：17 A（PW = 10ms正弦曲線，Tj = + 150℃） 浪湧非重複正向電流：80 A（PW = 10μs方波，Tj = + 25℃） 總功耗：88 W 結溫：+ 175℃ TO-220AC封裝

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圖2: 羅姆SCS205KG SiC二極體。roCednc

羅姆半導體公司的SCS205KG SiC二極體性能穩固，恢復時間短且切換速度快。其官方SPICE模型允許用戶在任何條件下對器件進行仿真。roCednc

正向電壓

首先，我們測量SiC二極體的正向電壓。圖3所示為一個簡單的測試電路及其三維示意圖，以及在不同的工作溫度下，器件數據手冊中有關正向電壓的相關數據摘錄。roCednc

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圖3：SiC二極體的正向電壓測試原理圖。roCednc

測試接線圖中，肖特基SCS205KG SiC二極體與一個阻值約6.7歐姆的電阻串聯，以允許5 A的電流通過電路。其電源電壓設置為36V。為了更好地優化功耗和散熱性能，我們使用了十個並聯的67歐姆電阻，以模擬單個6.7 ohm電阻。每個電阻的功率必須至少為20W。肖特基二極體SCS205KG的數據手冊中明確了在各種工作溫度下器件兩端的電壓值：roCednc

If=5A, Tj=+25℃: 1.4 VroCednc

If=5A, Tj=+150℃: 1.8 VroCednc

If=5A, Tj=+175℃: 1.9 VroCednc

這些數據說明了二極體兩端的電壓高度依賴於溫度。因此，設計人員必須儘可能地抑制這種電壓波動，以免影響最終的系統性能。我們使用如下的SPICE指令，在0℃至200℃的溫度範圍內進行直流掃描仿真，以測量功率二極體兩端的電壓：roCednc

DC temp 0 200 25roCednc

仿真結果返回了在不同溫度下二極體上的電壓值，這些數據完全符合器件數據手冊中提供的指標。其中紅色框中包含了文檔中報告的測試溫度。roCednc

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表1：溫度與測得電壓值。(麻煩將製作成表格形式)roCednc

如圖4所示，隨著溫度的變化，綠色曲線表示二極體陽極上固定的36 V電壓，黃色曲線表示陰極上的電壓變化。其電位差構成了「正向電壓」。由於陽極和陰極的電壓之間存在代數差，從圖中可以觀察到器件上存在電位差。該測試必須在幾秒鐘內完成。roCednc

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圖4：仿真在時域中測量SiC二極體的正向電壓。roCednc

電容電抗

其次，我們測量SiC二極體的電容電抗。圖5所示為簡單的測試電路及其三維示意圖。roCednc

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圖5：SiC二極體電容電抗測試示意圖。roCednc

在電路圖中，肖特基SiC二極體SCS205KG與一個阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯。另有一個阻值很高的第二電阻與二極體並聯。電源電壓是設置為1 V的正弦波電源。我們可以執行如下的SPICE指令進行AC仿真，在200 MHz至2 MHz頻率範圍內，對功率二極體的電容電抗進行測量：roCednc

AC lin 1000 0.2Meg 2MegroCednc

仿真結果（參見圖6）顯示出在正弦波不同頻率下的不同電容電抗。roCednc

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圖6：該仿真在頻域中測量SiC二極體的電容電抗。二極體表現為一個小型電容器，容值取決於所承受的頻率。roCednc

如圖7所示，我們採用如下公式測量二極體的電容電抗。它發生在頻域中的AC。roCednc

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

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圖7：二極體電容電抗的計算公式。roCednc

二極體可以用電容器代替，以便用真實器件來執行另一個仿真。roCednc

反向電流

第三個要測量的是SiC二極體的反向電流。圖8所示為一個簡單的測試電路及其三維示意圖，以及在不同的工作溫度下，器件數據手冊中有關反向電流的相關數據摘錄。roCednc

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圖8：SiC二極體反向電流的測試示意圖。roCednc

電路圖（圖8）中，肖特基SiC二極體SCS205KG與一個阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯。電源電壓是設置為1200 V的正弦波電源。二極體以反向模式連接。我們採用如下SPICE指令，執行DC仿真（掃頻），測試在+ 20℃至+ 200℃的溫度範圍內流過二極體的反向電流。roCednc

DC TEMP 20 200 1roCednc

如圖9所示，隨溫度變化，二極體上只有很少的反向電流經過。roCednc

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圖9：該仿真測試了SiC二極體兩端的反向電流在溫度域的變化情況。roCednc

圖10（電壓V與電流I）顯示了在+ 25℃的恆定溫度下，當施加到二極體的電壓在0 V至1200 V之間變化時，反向電流的變化曲線。roCednc

roCednc

圖10：在25℃溫度下，反向電流與施加到二極體上的電壓關係圖。roCednc

結論

碳化矽二極體具有非常快速的恢復時間，這可提高開關速率，並減小磁性元件和其它無源元件的尺寸，從而使最終產品具有更高的功率密度。對於電源開關應用，碳化矽二極體在效率和熱性能方面也具備顯著的優勢。這種器件可以在更高的溫度下運行，而溫度是改變電子器件工作條件的重要因素。如果採用真正的SiC器件進行真實測試與仿真會更加有趣，這樣可以評估仿真器以及SPICE模型的功效和實用性。roCednc

（本文授權編譯自EDN姐妹網站Power Electronics News，原文參考連結：Examining a SiC diode。）roCednc

責編：Jenny LiaoroCednc

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