如何有效地測量Sic MOSFET

隨著寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)變得越來越流行，正在執(zhí)行不同的耐久性測試來評估二極管在高溫和嚴(yán)酷電流循環(huán)條件下的運(yùn)行情況。毫無疑問，電力電子在未來幾年內(nèi)將繼續(xù)在基礎(chǔ)組件方面發(fā)展。與傳統(tǒng)硅材料相比，采用碳化硅 (SiC) 的新型半導(dǎo)體材料能夠提供更好的導(dǎo)熱性、更高的開關(guān)速度和更小的器件尺寸，因此備受推崇。這就是為什么 SiC 開關(guān)已成為設(shè)計(jì)人員的喜悅。

碳化硅二極管多為肖特基二極管。第一個(gè)商用碳化硅肖特基二極管是在十多年前推出的。從那時(shí)起，這些設(shè)備已被集成到許多電源系統(tǒng)中。二極管升級為 SiC 功率開關(guān)，如 Jfet、Bjt 和 Mosfet。目前可提供擊穿電壓為 600-1700 V、額定電流為 1 A-60 A 的 SiC 開關(guān)。這里的重點(diǎn)是如何有效地測量 Sic MOSFET。

圖 1：第一個(gè)商用 SiC MOSEFT，CMF20120D

碳化硅二極管

最初，可用的是簡單的二極管，但隨著技術(shù)的發(fā)展，升級了 JFET、MOSFET 和雙極晶體管的生產(chǎn)。碳化硅 (SiC) 肖特基二極管具有更高的開關(guān)性能、效率、功率密度和更低的系統(tǒng)成本。這些二極管提供零反向恢復(fù)、低正向壓降、電流穩(wěn)定性、高浪涌電壓能力和正溫度系數(shù)。

新型二極管面向各種應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員，包括光伏太陽能逆變器、電動(dòng)汽車 (EV) 充電器、電源和汽車應(yīng)用。與硅相比，它具有更低的漏電流和更高的摻雜。一個(gè)重要的特性是高溫下的行為：隨著溫度的升高，硅的直接表征發(fā)生了很大的變化。碳化硅是一種非常堅(jiān)固可靠的材料。然而，在 SiC 的情況下，它仍然局限在小范圍內(nèi)。

讓我們檢查一個(gè) SiC 二極管

待測試的 SiC 二極管原型示例是 ROHM 的 SCS205KG 型號，這是一款 SiC 肖特基勢壘二極管（圖 2）。以下是其一些最重要的功能：

• 電壓：1200 伏；
• 如果：5 A（+150°C）；
• 浪涌非重復(fù)正向電流：23 A（PW=10ms 正弦波，Tj=+25°C）；
• 浪涌非重復(fù)正向電流：17 A（PW=10ms 正弦，Tj=+150°C）；
• 浪涌非重復(fù)正向電流：80 A（PW=10us square，Tj=+25°C）；
• 總功耗：88 W；
• 結(jié)溫：+175°C；
• TO-220AC 封裝。

圖 2：ROHM 的 SCS205KG 碳化硅二極管

這是一個(gè)非常強(qiáng)大的組件，具有很短的恢復(fù)時(shí)間和高速開關(guān)。其官方 SPICE 模型允許在任何條件下對組件進(jìn)行仿真。

* SCS205KG
* SiC 肖特基勢壘二極管模型
* 1200V 5A
* 模型由 ROHM 生成
* 版權(quán)所有
* 日期：2015/11/16
*****************AC
.SUBCKT SCS205KG 1 2
.PARAM T0=25
.FUNC R1(I) {40.48m*I*EXP((TEMP-T0)/155.8)}
.FUNC I1(V) {2.102f*(EXP(V/0.02760/EXP((TEMP) -T0)/405.3))-1)*
+ EXP((TEMP-T0)/7.850*EXP((TEMP-T0)/-601.3))}
.FUNC I2(V) {TANH(V/0.1)*( 710.4p*EXP(-V/198.3)*EXP((TEMP-T0)/54.40)+
+ 26.02f*EXP(-V/63.22/EXP((TEMP-T0)/178.9))*
+ EXP((TEMP) -T0)/8.493*EXP((TEMP-T0)/-600)))}
V1 1 3 0
E1 3 4 VALUE={R1(MIN(MAX(I(V1)/0.5,-500k),500k)) }
V2 4 5 0
C1 5 2 0.5p
G1 4 2 VALUE={0.5*(I1(MIN(MAX(V(4,2),-5k),5))+I2(MIN(MAX(V(4,2),-5k),5)) )+
+ I(V2)*(913.9*(MAX(V(4,2),0.5607)-0.5607)+
+ 727.2*(1-360.9*TANH(MIN(V(4,2),0.5607)/360.9) )/1.121)**-0.4987)}
R1 4 2 1T
.ENDS SCS205KG

正向電壓

第一個(gè)測量操作涉及 SiC 二極管的正向電壓。如圖 3 所示，這是測試的簡單電路、其三維表示以及在不同工作溫度下有關(guān)正向電壓的組件數(shù)據(jù)表的摘錄。

圖 3：測試 SiC 二極管正向電壓的測試示意圖

測試接線圖包含串聯(lián)連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，該二極管具有約 6.7 歐姆的非常強(qiáng)大的電阻，其大小允許 5 A 的電流通過電路。電源電壓設(shè)置為 36 V。為了更好地優(yōu)化散熱和散熱，我們使用了十個(gè) 67 歐姆電阻器，并聯(lián)連接，以模擬單個(gè) 6.7 歐姆電阻器。每個(gè)電阻的功率必須至少為 20 W。肖特基二極管 SCS205KG 的數(shù)據(jù)表確定了組件在各種工作溫度下的以下電壓：

• 如果=5A，Tj=+25°C：1.4V；
• 如果=5A，Tj=+150°C：1.8V；
• 如果=5A，Tj=+175°C：1.9V。

這些特性解釋了二極管兩端的電壓如何高度依賴于其溫度。因此，設(shè)計(jì)人員必須盡可能地抑制這種電壓波動(dòng)，因?yàn)樗鼤淖冏罱K系統(tǒng)的行為。現(xiàn)在，使用 SPICE 指令在 0°C 到 200°C 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 DC 掃描模擬，該模擬涉及測量功率二極管兩端的電壓：

.DC 溫度 0 200 25

仿真返回二極管在不同溫度下的以下電壓值，完全證實(shí)了數(shù)據(jù)表提供的指示。彩色單元格包含文件中報(bào)告的測試溫度。

如圖 4 所示，綠色曲線圖顯示二極管陽極上 36 V 的固定電壓，黃色曲線圖顯示陰極上的電壓，具體取決于溫度。這種電位差構(gòu)成了“正向電壓”。仍然在同一幅圖中，由于陽極和陰極電壓之間的代數(shù)差，可以觀察到元件上的電位差。此測試必須僅執(zhí)行幾秒鐘。

圖 4：仿真在時(shí)域上測量 SiC 二極管的正向電壓

容抗

第二個(gè)測量操作涉及 SiC 二極管的容抗。讓我們看一下圖5，其中我們可以看到測試的簡單電路及其三維表示。

圖 5：測試 SiC 二極管容抗的測試示意圖

電氣圖包含串聯(lián)連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，其電阻非常低，約為 0.1 歐姆。此外，還有一個(gè)與二極管并聯(lián)的第二電阻器。它的價(jià)值非常高。電源電壓是一個(gè)設(shè)置為 1 V 的正弦源。對于這個(gè)測試，我們可以執(zhí)行 AC 模擬，這涉及在 200 kHz 和 2 MHz 之間的頻率域中測量功率二極管的容抗，使用SPICE 指令：

.AC lin 1000 0.2Meg 2Meg

模擬（見圖 6）在正弦源的不同頻率下返回不同的容抗。

圖 6：仿真在頻域上測量 SiC 二極管的容抗。二極管就像一個(gè)小電容器，其容量取決于它所承受的頻率。

為了測量二極管的容抗，我們使用以下公式，如圖 7 所示。它發(fā)生在頻域中的交流電中。

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

圖7：計(jì)算二極管容抗的公式

二極管可以用電容器代替，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的和真實(shí)的組件來執(zhí)行另一個(gè)模擬。

反向電流

第三個(gè)測量操作涉及 SiC 二極管的反向電流。讓我們看一下圖 8，其中包含測試的簡單電路、其三維表示以及涉及不同溫度下的反向電流的組件數(shù)據(jù)表的摘錄。

圖 8：測試 SiC 二極管反向電流的測試示意圖

電氣圖包含串聯(lián)連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，其電阻非常低，約為 0.1 歐姆。電源電壓是設(shè)置為 1200 V 的正弦源。二極管以反向模式連接。對于此測試，可以使用 SPICE 指令執(zhí)行 DC 模擬（掃描），其中包括在 +20°C 和 +200°C 之間的溫度域中測量流過二極管的反向電流：

.DC 溫度 20 200 1

在圖 9 中，圖表顯示二極管上流動(dòng)的反向電流很小，隨溫度變化。

圖 9：模擬測量溫度域上 SiC 二極管上的反向電流

圖 10（V 與 I）顯示了反向電流圖，與施加到二極管的電壓有關(guān)，在 +25° C 的固定溫度下，介于 0 V 和 1200 V 之間。

圖 10：在 +25° C 的溫度下反向電流與施加到二極管的電壓的關(guān)系圖。

結(jié)論

SiC 二極管的特點(diǎn)是恢復(fù)時(shí)間非?？?。這允許更高的開關(guān)速度和更小的磁性和其他無源元件的尺寸。最終設(shè)備可以具有更高的功率密度。它們還為電源開關(guān)應(yīng)用提供了在效率和熱性能方面的顯著優(yōu)勢。這些組件可以在更高的溫度下運(yùn)行。溫度是改變電子元件工作條件的重要因素。執(zhí)行真實(shí)測試（使用真實(shí) SiC 組件）和仿真可能會很有趣，以評估仿真器的有效性和實(shí)用性，尤其是 SPICE 模型的有效性和實(shí)用性。

審核編輯：湯梓紅