碳化硅二極管
最初的二極管非常簡單,但隨著技術(shù)的發(fā)展,逐漸出現(xiàn)了升級的JFET、MOSFET和雙極晶體管。碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢明顯,它具有高開關(guān)性能、高效率和高功率密度等特性,而且系統(tǒng)成本較低。這些二極管具有零反向恢復(fù)時(shí)間、低正向壓降、電流穩(wěn)定性、高抗浪涌電壓能力和正溫度系數(shù)。
新型二極管適合各種應(yīng)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(yīng)用。與傳統(tǒng)硅材料相比,新型二極管具有更低的漏電流和更高的摻雜濃度。硅材料具有一個(gè)特性,就是隨著溫度的升高,其直接表征會發(fā)生很大變化。而碳化硅是一種非常堅(jiān)固且可靠的材料,不過碳化硅仍局限于小尺寸應(yīng)用。
檢測碳化硅二極管
本文要檢測的碳化硅二極管為羅姆半導(dǎo)體的SCS205KG型號,它是一種SiC肖特基勢壘二極管(圖2)。其主要特性如下:
˙反向電壓Vr:1200V;
˙連續(xù)正向電流If:5A(+150℃時(shí));
˙浪涌非重復(fù)正向電流:23A(PW=10ms正弦曲線,Tj=+25℃;
˙浪涌非重復(fù)正向電流:17A(PW=10ms正弦曲線,Tj=+150℃);
˙浪涌非重復(fù)正向電流:80A(PW=10μs方波,Tj=+25℃);
˙總功耗:88W;
˙結(jié)溫:+175℃;
˙TO-220AC封裝。
圖2:羅姆SCS205KGSiC二極管
羅姆半導(dǎo)體公司的SCS205KGSiC二極管性能穩(wěn)固,恢復(fù)時(shí)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(jìn)行仿真。
正向電壓
首先,我們測量SiC二極管的正向電壓。圖3所示為一個(gè)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(shù)據(jù)手冊中有關(guān)正向電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)摘錄。
圖3:SiC二極管的正向電壓測試原理圖
測試接線圖中,肖特基SCS205KGSiC二極管與一個(gè)阻值約6.7歐姆的電阻串聯(lián),以允許5A的電流通過電路。其電源電壓設(shè)置為36V。為了更好地優(yōu)化功耗和散熱性能,我們使用了十個(gè)并聯(lián)的67歐姆電阻,以模擬單個(gè)6.7ohm電阻。每個(gè)電阻的功率必須至少為20W。肖特基二極管SCS205KG的數(shù)據(jù)手冊中明確了在各種工作溫度下器件兩端的電壓值:
If=5A,Tj=+25℃:1.4V;
If=5A,Tj=+150℃:1.8V;
If=5A,Tj=+175℃:1.9V.
這些數(shù)據(jù)說明了二極管兩端的電壓高度依賴于溫度。因此,設(shè)計(jì)人員必須盡可能地抑制這種電壓波動,以免影響最終的系統(tǒng)性能。我們使用如下的SPICE指令,在0℃至200℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行直流掃描仿真,以測量功率二極管兩端的電壓:
.DCtemp020025
仿真結(jié)果返回了在不同溫度下二極管上的電壓值,這些數(shù)據(jù)完全符合器件數(shù)據(jù)手冊中提供的指標(biāo)。其中紅色框中包含了文檔中報(bào)告的測試溫度。
表1:溫度與測得電壓值.
如圖4所示,隨著溫度的變化,綠色曲線表示二極管陽極上固定的36V電壓,黃色曲線表示陰極上的電壓變化。其電位差構(gòu)成了“正向電壓”。由于陽極和陰極的電壓之間存在代數(shù)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(nèi)完成。
圖4:仿真在時(shí)域中測量SiC二極管的正向電壓
電容電抗
其次,我們測量SiC二極管的電容電抗。圖5所示為簡單的測試電路及其三維示意圖。
圖5:SiC二極管電容電抗測試示意圖
在電路圖中,肖特基SiC二極管SCS205KG與一個(gè)阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯(lián)。另有一個(gè)阻值很高的第二電阻與二極管并聯(lián)。電源電壓是設(shè)置為1V的正弦波電源。我們可以執(zhí)行如下的SPICE指令進(jìn)行AC仿真,在200MHz至2MHz頻率范圍內(nèi),對功率二極管的電容電抗進(jìn)行測量:
.AClin10000.2Meg2Meg
仿真結(jié)果(參見圖6)顯示出在正弦波不同頻率下的不同電容電抗。
圖6:該仿真在頻域中測量SiC二極管的電容電抗。二極管表現(xiàn)為一個(gè)小型電容器,容值取決于所承受的頻率。
如圖7所示,我們采用如下公式測量二極管的電容電抗。它發(fā)生在頻域中的AC。
IM(V(n002)/I(R1))
圖7:二極管電容電抗的計(jì)算公式
二極管可以用電容器代替,以便用真實(shí)器件來執(zhí)行另一個(gè)仿真。
反向電流
第三個(gè)要測量的是SiC二極管的反向電流。圖8所示為一個(gè)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(shù)據(jù)手冊中有關(guān)反向電流的相關(guān)數(shù)據(jù)摘錄。
圖8:SiC二極管反向電流的測試示意圖
電路圖(圖8)中,肖特基SiC二極管SCS205KG與一個(gè)阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯(lián)。電源電壓是設(shè)置為1200V的正弦波電源。二極管以反向模式連接。我們采用如下SPICE指令,執(zhí)行DC仿真(掃頻),測試在+20℃至+200℃的溫度范圍內(nèi)流過二極管的反向電流。
.DCTEMP202001
如圖9所示,隨溫度變化,二極管上只有很少的反向電流經(jīng)過。
圖9:該仿真測試了SiC二極管兩端的反向電流在溫度域的變化情況
圖10(電壓V與電流I)顯示了在+25℃的恒定溫度下,當(dāng)施加到二極管的電壓在0V至1200V之間變化時(shí),反向電流的變化曲線。
圖10:在25℃溫度下,反向電流與施加到二極管上的電壓關(guān)系圖。
結(jié)論
碳化硅二極管具有非常快速的恢復(fù)時(shí)間,這可提高開關(guān)速率,并減小磁性元件和其它無源元件的尺寸,從而使最終產(chǎn)品具有更高的功率密度。對于電源開關(guān)應(yīng)用,碳化硅二極管在效率和熱性能方面也具備顯著的優(yōu)勢。這種器件可以在更高的溫度下運(yùn)行,而溫度是改變電子器件工作條件的重要因素。如果采用真正的SiC器件進(jìn)行真實(shí)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(shí)用性。
(來源:電子發(fā)燒友)