如何有效地檢測碳化硅(SiC)二極管

1、隨著寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的日益普及，需要在高溫和苛刻的電流循環(huán)條件 下，對二極管操作進(jìn)行各種耐久性測試，以評佔(zhàn)其性能。毫無疑問，功率電 子器件作為基本元器件，將在未來兒年中持續(xù)發(fā)展。而新型碳化硅（SiC） 半導(dǎo)體材料更是不負(fù)眾望，它比傳統(tǒng)硅材料導(dǎo)熱性更佳、開關(guān)速度更高，而 且可以使器件尺寸做到更小。因此，碳化硅開關(guān)也成為設(shè)計(jì)人員的新寵。碳化硅二極管主要為肖特基二極管。第一款商用碳化硅肖特基一極管十 多年前就已推出。從那時(shí)起，它就開始進(jìn)入電源系統(tǒng)。二極管已經(jīng)升級為碳 化硅開關(guān)，如JFET、BJT和MOSFET。U前市場上已經(jīng)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

2、硅開關(guān)。本文的重點(diǎn)是如何有 效地檢測Sic MOSFEToTO-247-3圖 1MOSEFT-CMF20120D碳化硅二極管最初的一極管非常簡單，但隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了升級的JFET、 M0SFET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-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(dòng)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

3、，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） O其主要特性如下：反向電壓1200 V; 連續(xù)正向電流“ 5 A （+ 150C時(shí)）；浪涌非重復(fù)正向電流: 浪涌非重復(fù)正向電流: 浪涌非重復(fù)正向電流: 總功耗：88 W； 結(jié)溫：+ 175C； T0-220AC W裝。231780(Pw = lOms 正弦曲線，= + 25C； (Pw = lOms 正弦曲線，T尸 + 150-0 ；(Pw = 10 US 方波,T,= + 25C)

4、:(1).(1) Cathode(2) Cathode(3) Anode0(2)(3)SCS205KG SiC圖 2:SCS205KG SiC 二極管1極管性能穩(wěn)固，恢復(fù)時(shí)間短且切換速度快。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 斥的相關(guān)數(shù)據(jù)摘錄。SCSdSKGSymbolCondition*UrwtMaHUxvIt-O.imA1200VForward voEugetf.1.-1.4VU-5A.T,- l5Ori.aV入 Tl 17SXL9Vfltveoc currentUV,- 12O0V,

5、Tj-2ffC$100uAV,- 1200V. T產(chǎn) 1501：40UAV.- I300V.T.- useVA05heeectrioloter5tC56壓251.40401.45501.48751541001-601251/01501.801751.902002,00表4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36 V 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”。III 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。VR : 1 f TL1. -4T1j1匚丁打一一lOOX12OX3C16

6、0X-Moncrc20C40X60J J J * ri J *J *4 4 I * f -I八肝:iii1-71j6ISlANb 門用前! I： TN 1 Hit!* * ： *i L P HiiHiimiiimiiiii 聽 iHl inmimoilhr i i hi: r i II rt:-1 - - - , J J - 4r “ r訐 r rr?rT K -40 w 870 ao100 no i?o no 150 too ito im 190200rc圖4：仿真在時(shí)域中測量SiC二極管的正向電壓:r：；.i ! Huh H H ! L冇 T 11 rfv I1 于r n fl vrrri

7、- T r干r30電容電抗其次，我們測量SiC二極管的電容電抗。 其三維示意圖。圖5所示為簡單的測試電路及R2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 的電阻審聯(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1 V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200 MHz至2 HHz頻率范ffl內(nèi)，對功率二極管的電容電抗進(jìn)行測量：.AC lin 1000 0. 2Meg 2Meg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。-2.ofcn -i.An1 Tfcn0血0.2MH7

8、04MH7 06MHz oaMHz tOMHz 12lz 14MHz I SMHz lMHz 2.OUH7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(Rl)X尸詳圖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，以及在不同的丄作溫度下，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。R1-AA/VO.t ohmD

9、NSS 匕 S 去5m5CS2O5KGDatasheet Electrical characteristics 25*0ParameterSymbolConditionsValuesUnrtMin.Typ.MdX.Deblocking voltageValn= 0.1 mA1200-VForward voltageV,lf=5AJ(=25X-1.41.6Vb二 5A,T尸 150ClAVb 二 5A,T產(chǎn) 17TCL9VReverse currentIr叫=120OVJ = 2 兀5100llAV=120OV.T；=I5(rC40nAVt=1200f；=!7?C-65圖8： SiC二極管反向電

10、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 歐姆的電阻審聯(lián)。電源電壓是設(shè)置為1200 V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+ 2（rc 至+ 200C的溫度范M內(nèi)流過二極管的反向電流。DC TEMP 20 200 1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。sg：n 但了 sd：二ttvpwnsn幀代;%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+ 25C的恒定溫度下，當(dāng)施加到二極 管的電壓在0 V至1200 V之間變化時(shí)，反向電流的變化曲線。-1.I.J 一jr4J論廠- -ZIpA - 一 H - IJpA 一 12汕OSyA03 03#0Z03 !i00KV 0.1KV O7KV 03KV MMV OSCV 06ICV 07ICV 08KV 0.9KV tOKV MKV UW圖W：在25C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?？焖俚幕謴?fù)時(shí)間，這可提高