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碳化硅肖特基二极管的基本特征分析

2022-6-17 17:01| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: 碳化硅作为一种宽禁带半导体材料,比传统的硅基器件具有更优越的性能。碳化硅的宽禁带(3.26eV)、高临界场(3×106V/cm)和高导热系数(49W/mK)使功率半导体器件效率更高,运行速度更快,能够有效降低产品成本、体积及重 ...

碳化硅作为一种宽禁带半导体材料,比传统的硅基器件具有更优越的性能。碳化硅的宽禁带(3.26eV)、高临界场(3×106V/cm)和高导热系数(49W/mK)使功率半导体器件效率更高,运行速度更快,能够有效降低产品成本、体积及重量。


碳化硅具有载流子饱和速度高和热导率大的特点,应用开关频率可达到1MHz,在高频应用中优势明显,其中碳化硅肖特基二极管(SiC JBS)耐压可以达到6000V以上。


相对应的,硅材料的禁带宽度较低,在较低的温度下硅器件本征载流子浓度较高,而高的漏电流会造成热击穿,这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。


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1、碳化硅肖特基二极管器件结构和特征

    

用碳化硅肖特基二极管替换快速PN 结的快速恢复二极管(FRD),能够明显减少恢复损耗,有利于开关电源的高频化,减小电感、变压器等被动元件的体积,使开关电源小型化,并降低产品噪音。


2、碳化硅肖特基二极管的正向特性

     

碳化硅肖特基二极管的开启导通电压比硅快速恢复二极管较低,如果要降低VF值,需要减薄肖特基势垒的高度,但这会使器件反向偏压时的漏电流增大。

     

碳化硅肖特基二极管的温度特性与硅快速恢复二极管不同,当温度升高时导通阻抗会增加,VF值也上升,这样器件发热不易发生热失控,更适合并联使用。


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同等温度条件下,IF=10A时碳化硅与硅二极管正向导通电压比对,碳化硅肖特基二极管的导通压降为1.5V,硅快速恢复二极管的导通压降为1.7V, 碳化硅材料性能好于硅材料。


3、碳化硅肖特基二极管的恢复特性

     

硅快速恢复二极管存在反向漏电流较大和反向恢复时间长的问题,当二极管从正向导通状态切换到反向截止状态时,瞬间会产生极大的反向瞬态冲击电流,器件从正压导通转向反压截止偏压状态。此过程时间长,电流大,会产生较大的损耗,当器件正向电流越大及温度越高时,恢复时间和恢复电流就越大,损耗也就越大。

      

碳化硅肖特基二极管是一种多数载流子导电器件(单极性器件),在工作过程中不会发生少数载流子存储的现象,也不会产生过大的正反向切换瞬态冲击电流,只有结电容放电的小电流,因此碳化硅肖特基二极管的开关损耗比硅快速恢复二极管更低。使用碳化硅肖特基二极管可以减少损耗,能快速稳定实现器件的正反切换,提高产品的效率和降低产品噪音,同时易于改善EMI。


以下测试结果基于基本半导体碳化硅肖特基二极管B1D20065K(650V/20A),电流特性(5A、10A、15A):

       

硅快速恢复二极管(环境温度25℃)                     

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碳化硅肖特基二极管(环境温度25℃)

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    ○ 硅快恢复二极管在5A、10A和15A对应的反向恢复电流分别是9.3A、13.0A和15.8A;

    ○ 碳化硅肖特基二极管在5A、10A和15A对应的反向恢复电流分别是2.5A、3.1A和3.6A;

     

从测试数据来看,在5A、10A、15A三等级电流测试中,碳化硅肖特基二极管的反向恢复电流比硅快恢复二极管小,有利提升产品效率。

    

硅快速恢复二极管(10A)

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碳化硅肖特基二极管(10A)

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    ○ 在25℃和125℃时,硅快恢复二极管的反向恢复电流分别是13.2A和24.4A;

    ○ 在25℃和125℃时,碳化硅肖特基二极管的反向恢复电流分别是3.0A和3.1A;

     

从测试数据来看,在同等温度条件下,IF=10A时,碳化硅肖特基二极管的反向恢复电流低于硅快恢复二极管,因此碳化硅肖特基二极管的损耗同样低于硅快恢复二极管。


4、基本半导体碳化硅肖特基二极管主要特性参数及应用


    ○ 最高反向工作电压(VRSM):二极管能承受的最大反向电压;

    ○ 正向连续导通电流(IF):二极管长期连续工作时所允许通过的最大正向电流,IF值与器件结温呈负相关关系,结温越高,IF值越小。


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    ○ 正向瞬时导通电流(IF):IFSM及IFMAX越大,瞬时抗冲击浪涌能力越强。


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    ○ 正向电压(VF):正向电压越大,二极管的功耗越大,其值越小越好。


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    ○ 工作温度(Tj): Tj的工作温度越宽,说明器件的高温特性越好,可以在高温下工作,不影响器件的性能。


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    ○ 反向饱和电流(IR):也称为漏电流,在反向偏压一定的情况下,反向饱和电流的大小决定了二极管自身的损耗,反向饱和电流越大,二极管的功耗越大,器件本体发热越严重,因此反向饱和电流直接影响二极管的可靠性,其值越小越好;

    ○ 电荷电容(QC):QC越大,二极管的开关损耗越大;

 

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    ○ 热阻Rth(jc): Rth(jc)值越小,在使用中二极管管芯向外部散热速度越快,器件温度越低,散热效果越好,器件工作稳定性越好。


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基本半导体自主研发推出了650V、1200V、1700V系列标准封装碳化硅肖特基二极管及1200V碳化硅MOSFET产品,具有极高的工作效率,性能优越达到国际先进水平,可广泛应用于新能源充电桩、光伏逆变器、5G微基站电源、轨道交通系统中的辅助电源以及车载OBC等功率因数校正电路(PFC 电路)和DC/DC整流输出电路中。


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