檢測碳化矽二極體

作者 : Giovanni Di Maria,技術文件工程師

對於電源開關應用,SiC二極體在效率和熱性能方面具備顯著的優勢,可在更高的溫度下運作。採用真正的SiC元件進行真實測試與模擬還更有趣,它可以評估模擬器以及SPICE模型的功效和實用性。本文重點在於如何有效地檢測SiC MOSFET...

隨著寬能隙(WBG)半導體技術的日益普及,必須在高溫和嚴苛的電流循環條件下,對二極體的操作進行各種耐久性測試,以評估其性能。毫無疑問地,功率電子元件作為基本元件,將在未來幾年持續發展。而新型的碳化矽(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,而且可以使元件尺寸做到更小。因此,SiC開關也成為設計人員的新寵。

碳化矽二極體主要為蕭特基二極體。第一款商用SiC蕭特基二極體在十多年前就已推出,並從那時起被導入許多電源系統中。二極體可被升級至SiC開關,如JFET、BJT和MOSFET。目前市場上已經可以提供擊穿電壓為600-1700V、且額定電流為1-60A的SiC開關。本文重點在於如何有效地檢測SiC MOSFET。

The first commercial SiC MOSEFT, the CMF20120D

1: 首款商用SiC MOSEFT –– CMF20120D

 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。SiC蕭特基二極體優勢明顯,提供了更高的開關性能、效率和功率密度等特性,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、高抗突波電壓能力以及正溫度係數。

新型二極體適合各類應用的電源轉換器,包括太陽能逆變器、電動車(EV)充電器、電源和汽車應用。相較於傳統矽材料,這種新型二極體具有更低的漏電流和更高的摻雜濃度。矽材料還有一個特性是在高溫時的表現:隨著溫度升高,其直接表徵會發生很大的變化。而SiC是一種非常堅固且可靠的材料,不過目前仍局限於小範圍應用。

 檢測SiC二極體

本文所檢測的SiC二極體是羅姆半導體(ROHM)的SCS205KG型號,它是一種SiC蕭特基勢壘二極體(圖2)。其主要特性如下:

˙反向電壓Vr:1200V;

˙連續正向電流If:5A (+150℃時);

˙突波非重複正向電流:23A (PW=10ms正弦曲線,Tj=+25℃);

˙突波非重複正向電流:17A (PW=10ms正弦曲線,Tj=+150℃);

˙突波非重複正向電流:80A (PW=10μs方波,Tj=+25℃);

˙總功耗:88W;

˙接面溫度:+175℃;

˙採用TO-220AC封裝。

SCS205KG SiC diode by ROHM

2:羅姆SCS205KG SiC二極體。

羅姆半導體的SCS205KG SiC二極體性能穩固,恢復時間短且切換速度快。其官方SPICE模型允許使用者在任何條件下對元件進行模擬。

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3D示意圖,以及在不同的工作溫度下,元件資料表中有關正向電壓的相關資料摘錄。

Test schematic to test the forward voltage of the SiC diode

3SiC二極體的正向電壓測試原理圖。

測試接線圖中,蕭特基SCS205KG SiC二極體與一個阻值約6.7Ω的電阻串聯,以允許5A的電流通過電路。其電源電壓設置為36V。為了最佳化功耗和散熱性能,本文中使用了10個並聯的67Ω電阻,以模擬單個6.7Ω電阻。每個電阻的功率必須至少為20W。

蕭特基二極體SCS205KG的資料表中決定了在各種工作溫度下元件兩端的電壓值:

If=5A, Tj=+25℃: 1.4V;

If=5A, Tj=+150℃: 1.8V;

If=5A, Tj=+175℃: 1.9V.

這些數據說明了二極體兩端的電壓高度取決於其溫度。因此,設計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(DC)掃描模擬,以測量功率二極體兩端的電壓:

.DC temp 0 200 25

模擬的結果提供了二極體在不同溫度時的電壓值(如表1),這些資料完全符合元件資料表中提供的指標。其中紅色框中包含了文件中所回報的測試溫度。

溫度(℃) 二極體上的實測電壓(V)
25 1.40
40 1.45
50 1.48
75 1.54
100 1.60
125 1.70
150 1.80
175 1.90
200 2.00

1:溫度與測得電壓值。

如圖4所示,隨著溫度的變化,綠色曲線表示二極體陽極上固定的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,從圖中可以觀察到元件上存在電位差。該測試必須在幾秒鐘內完成。

simulation measures the forward voltage of the SiC diode, on the time domain

4:模擬在時域中測量SiC二極體的正向電壓。

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3D示意圖。

Test schematic to test the capacitive reactance of the SiC diode

5SiC二極體電容電抗測試示意圖。

在電路圖中,蕭特基SiC二極體SCS205KG串聯一個阻值低至約0.1Ω的電阻,同時也並聯另一個極高阻值的第二電阻。電源電壓是設置為1V的正弦波電源。在此測試中,我們可以依據如下的SPICE指令進行AC模擬,在200MHz至2MHz頻率範圍內,對功率二極體的電容電抗進行測量:

.AC lin 1000 0.2Meg 2Meg

模擬結果(參見圖6)顯示在正弦波不同頻率下的不同電容電抗。

The simulation measures the capacitive reactance of the SiC diode, on the frequency domain. The diode behaves like a small capacitor and its capacity depends on the frequency to which it is subjected.

6:該模擬在頻域中測量SiC二極體的電容電抗。二極體表現為一個小型電容器,其容值取決於所在的頻率。

 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。

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

formula to calculate the capacitive reactance of the diode

7:二極體電容電抗的計算公式。

二極體可以用電容器代替,以便用真實元件來執行另一個模擬。

 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3D示意圖,以及在不同工作溫度下,元件資料表中有關反向電流的相關資料摘錄。

Test schematic to test the reverse current of the SiC diode

8SiC二極體反向電流的測試示意圖。

電路圖(圖8)中,蕭特基SiC二極體SCS205KG串聯一個阻值低至約0.1Ω的電阻。電源電壓是設置為1200V的正弦波電源。二極體即以反向模式連接。我們依據如下SPICE指令,執行DC模擬(掃頻),測試在+20℃至+200℃的溫度範圍內流過二極體的反向電流。

.DC TEMP 20 200 1

如圖9所示,隨著溫度的變化,二極體上只有很少的反向電流經過。

The simulation measures the reverse current across the SiC diode, on the temperature’s domain

9:該模擬測試了SiC二極體兩端反向電流在溫度域的變化情況。

圖10中(電壓V與電流I的關係)顯示在+25℃的恒定溫度下,當施加到二極體的電壓在0V~1200V之間變化時,反向電流的變化曲線。

 simulation current vs voltage

10:在25℃溫度下,反向電流與施加到二極體之電壓關係圖。

結論

SiC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被動元件的尺寸,從而使終端產品具有更高的功率密度。對於電源開關應用,SiC二極體在效率和熱性能方面也具備顯著的優勢。這種元件可以在更高的溫度下執行,而溫度是改變電子元件工作條件的重要因素。為了評估模擬器以及SPICE模型的功效和實用性,採用真正的SiC元件進行實際測試與模擬會更加有趣。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年9月號;參考原文: Examining a SiC diode)

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