不同類型二極管的關(guān)斷行為

碳化硅“體”二極管和“外部”SBD的關(guān)斷過(guò)程對(duì)比

杜金凌

引言

近年來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)最為火熱的話題非寬禁帶半導(dǎo)體莫屬，如碳化硅(SiC)。由于其優(yōu)越的物理和電氣特性，如高能量帶隙(eV)，高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(MV/cm)和高熱導(dǎo)率(W/cm·K)等，在硅基半導(dǎo)體叱咤風(fēng)云數(shù)十載的情況下逐漸活躍在大眾視野。碳化硅器件相比于傳統(tǒng)硅基，具有更低的漏源極通態(tài)電阻(RDS,on)、寄生電容和反向恢復(fù)電荷(Qrr)，這使得變換器能夠在更高頻率下?lián)碛懈偷膿p耗。

和硅基的相似，碳化硅MOSFET也包含了一個(gè)內(nèi)部固有的pn二極管，但由于其相對(duì)反向恢復(fù)電荷更低，其性能更優(yōu)。盡管如此，碳化硅MOSFET的體二極管仍然在開關(guān)損耗中占比很大，并且在高溫高電流下性能會(huì)有所下降。因此，有時(shí)通過(guò)反并碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管(SiCSBD)來(lái)提高開關(guān)性能，近乎為零的反向恢復(fù)特性，可是在高電壓下會(huì)由于器件的輸出電容而產(chǎn)生浪涌電流，從而增加整體開關(guān)損耗。那到底如何看待“體”二極管和“外部”SBD呢？

pn結(jié)二極管和肖特基勢(shì)壘二極管

下面是pn結(jié)二極管和肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)示意圖：

我們都知道在p摻雜和n摻雜處會(huì)形成pn結(jié)，形成一個(gè)pn結(jié)二極管，如上左圖。當(dāng)施加正向偏壓時(shí)，n區(qū)的自由電子和p區(qū)的空穴流動(dòng)，形成電子-空穴對(duì)，由于電子和空穴在導(dǎo)電時(shí)都攜帶電流，所以pn結(jié)二極管稱為雙極性器件。而肖特基勢(shì)壘二極管是通過(guò)金屬層和n摻雜半導(dǎo)體直接接觸而形成，如上右圖。由于沒有p摻雜的存在，傳導(dǎo)過(guò)程中不涉及空穴 而是由電子攜帶電流，故SBD稱為單極性器件。

硅基pn二極管正向壓降通常在0.7V左右，而SBD為0.3V左右。相對(duì)于硅，碳化硅由于具有更寬的帶隙，意味著電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶需要更大的能量，所以碳化硅基pn結(jié)二極管正向壓降比硅基的高很多。由于這個(gè)原因，碳化硅基的二極管器件構(gòu)成一般為肖特基勢(shì)壘型而不是pn結(jié)二極管。另外 由于沒有pn結(jié)的原因，硅基SBD的擊穿電壓要低很多，但碳化硅的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)使得SBD的擊穿電壓得以提高。

MOSFET中的體二極管示意圖如下：

當(dāng)對(duì)MOSFET施加正柵極電壓時(shí)，p摻雜區(qū)域偏置，通道打開。電流可以通過(guò)器件從漏極流向源極(如左圖)。MOSFET的p摻雜區(qū)域和n摻雜區(qū)域形成pn結(jié)二極管(體二極管)，當(dāng)MOSFET反向偏置時(shí)，體二級(jí)管變?yōu)檎蚱?如中圖)。

由于體二極管和MOSFET的漏源極通道反向平行，所以其行為隨著柵極電壓的變化而顯著變化。如果MOSFET通道關(guān)閉(VGS≤0V)，體二極管表現(xiàn)為典型的pn二極管，正向電壓和電流呈指數(shù)關(guān)系(如中圖)。當(dāng)柵極電壓為正時(shí)，MOSFET通道被部分打開，從而獲得較低的阻抗路徑(如右圖)，絕大多數(shù)電流由電子攜帶，使得其比單獨(dú)導(dǎo)電的體二極管具有更低的電壓降(如下圖)。

不同類型二極管的關(guān)斷行為

二極管的關(guān)斷行為是電力電子電路中評(píng)估穩(wěn)定性和開關(guān)損耗的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。上述pn結(jié)二極管和肖特基勢(shì)壘二極管在關(guān)斷時(shí)有著不同的表現(xiàn)。下面我們分別針對(duì)體二極管和反并聯(lián)SBD的關(guān)斷行為進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論。

我們知道MOSFET中包含的三個(gè)寄生電容：柵源極電容Cgs，漏源極電容Cds和柵漏極電容Cgd。這三個(gè)電容參數(shù)可以得到輸出電容(Coss=Cds+Cgd)，輸入電容(Cies=Cgs+Cgd)和反向傳輸電容(Cres=Cgd)，這些電容都是與電壓有關(guān)的非線性參數(shù)。同時(shí)，和MOSFET類似，反向阻斷模式下的二極管可以等效為電容Cak。這些寄生參數(shù)在二極管關(guān)斷過(guò)程中會(huì)引起除反向恢復(fù)外的額外電流。

1. 體二極管的關(guān)斷過(guò)程

對(duì)于任何MOSFET，體二極管關(guān)斷期間測(cè)量的電流(-ID/If)最多包含三個(gè)電流成分：

·反向恢復(fù)電流Irr

·寄生電容結(jié)電流ICj

·可能存在的寄生導(dǎo)通電流Ipto

我們從下面的示意圖來(lái)逐個(gè)解釋

首先，最直接的便是體二極管中由于電子-空穴對(duì)復(fù)合產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流Irr，與關(guān)斷前的電流呈正比，產(chǎn)生的反向恢復(fù)電荷Qrr在芯片中耗散，產(chǎn)生熱量，我們稱之為反向損耗Err。

其次，我們上述提到的寄生電容參數(shù)，僅有體二極管的前提下，Cj=Coss。由于關(guān)斷過(guò)程中電壓不斷上升，將產(chǎn)生一個(gè)dv/dt，此時(shí)在結(jié)電容上將形成相應(yīng)的位移電流ICj。

由此產(chǎn)生的電流存儲(chǔ)在電容的能量為

我們可以粗略估算為，ECj=1/2*Cj*V2

然而，由于這是純電容性的，除了電路中的微小電阻產(chǎn)生的損耗外，ECj沒有產(chǎn)生真正的功率損耗。

再者，我們都知道SiCMOSFET具有較低的閾值電壓以及較高的VGSoff(即接近于零，例如-4V)，同時(shí)具有較高的開關(guān)速度引起的較高dv/dt，CGD形成的位移電流導(dǎo)致CGS被充電，通道會(huì)輕微打開，形成漏源極電流Ipto，從而產(chǎn)生相應(yīng)的損耗，我們稱之為Epto。

雖然這不一定會(huì)造成破壞，但這種短暫的傳導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，而且并不總是均勻地分布在整個(gè)芯片上。如果允許多次的Ipto重復(fù)產(chǎn)生，可能會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱點(diǎn)。

下圖是SEMIKRON62mm的全碳化硅模塊SKM350MB120SCH15(不帶反并聯(lián)SBD)的體二極管關(guān)斷波形，測(cè)量是在600V和350A下進(jìn)行的。我們可以看到此時(shí)的峰值反向恢復(fù)電流Irr*（包含最多三種成分）為-140A。

2.反并聯(lián)肖特基勢(shì)壘二極管的關(guān)斷過(guò)程

上面我們提到，由于肖特基勢(shì)壘二極管屬于單極性器件，所以其沒有反向恢復(fù)行為。關(guān)斷期間測(cè)量的電流(-ID/If)由兩個(gè)電流成分組成：

·反向恢復(fù)電流Irr

·寄生電容結(jié)電流ICj

·可能存在的寄生導(dǎo)通電流Ipto

如下圖，

在正常運(yùn)行時(shí)，SBD將攜帶絕大數(shù)的電流，而體二極管只攜帶極少量的電流，因此，體二極管基本上不會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。值得注意的是，如果產(chǎn)生寄生導(dǎo)通電流Ipto，因其是流過(guò)MOSFET，故其產(chǎn)生的損耗不能歸結(jié)于SBD。

這里SEMIKRON在帶有反并聯(lián)SBD的全碳化硅模塊中增加了一個(gè)新術(shù)語(yǔ)Err(MOSFET)，用來(lái)描述ECj和Epto產(chǎn)生的能量，而不是真正的反向恢復(fù)能量。因?yàn)镋Cj是純電容性的，對(duì)器件自熱沒有明顯的影響，所以可以忽略。然而SEMIKRON規(guī)格書中沒有從Err(MOSFET)中減去ECj，目的是為了更好地反映了真實(shí)的測(cè)量值。

下圖是SEMIKRON62mm的全碳化硅模塊SKM350MB120SCH17(帶反并聯(lián)SBD)的二極管關(guān)斷波形，測(cè)量是在600V和350A下進(jìn)行的。我們可以看到此時(shí)的峰值反向恢復(fù)電流Irr*（包含最多兩種成分）為-70A，由于缺少了反向恢復(fù)電流而變得低。

3.單獨(dú)肖特基勢(shì)壘二極管的關(guān)斷過(guò)程

如果單獨(dú)使用SBD，那么二極管關(guān)斷時(shí)電流只包含一個(gè)電流：

·反向恢復(fù)電流Irr

·寄生電容結(jié)電流ICj

·可能存在的寄生導(dǎo)通電流Ipto

如下圖，

如上所述，此容性電流在芯片內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生損耗，因此，SiCSBD本身的開關(guān)損耗可以忽略不計(jì)。

下圖是SEMIKRON62mm的混合碳化硅模塊SKM200GB12T4SiC2(SiIGBT + SiC SBD)的二極管關(guān)斷波形。IGBT的寄生導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)幾乎為零，在二極管關(guān)斷過(guò)程中只有SBD，并且反向恢復(fù)為零，而由IGBT和SBD寄生電容引起的電流仍然存在并且由于系統(tǒng)寄生參數(shù)可能產(chǎn)生一些振蕩。

SEMIKRON模塊規(guī)格書

下面我們來(lái)看看SEMIKRON是如何在不同類型模塊中聲明二極管反向恢復(fù)損耗的。

1.全碳化硅模塊(體二極管)

因?yàn)榇祟愋湍K僅依賴于體二極管，因此，為二極管指定了Irr，Qrr和Err。這些值包含了寄生導(dǎo)通的影響。但由于這兩種損耗在同一個(gè)開關(guān)中產(chǎn)生，所以并沒有進(jìn)行具體區(qū)分。這些值也包含了結(jié)電容Cj造成的影響。

下圖是SKM350MB120SCH15的部分參數(shù)，

其中，電流、di/dt和結(jié)溫都會(huì)影響體二極管的反向恢復(fù)過(guò)程，在進(jìn)行不同模塊對(duì)比時(shí)需要注意。

2.全碳化硅模塊(帶反并聯(lián)SBD)

通常反并聯(lián)SBD來(lái)改善開關(guān)過(guò)程，上述提到的Err(MOSFET)包含在動(dòng)態(tài)曲線中，以及SBD的結(jié)電容Cj和存儲(chǔ)電荷Qc也在規(guī)格書中給到，以便計(jì)算存儲(chǔ)能量ECj。

下圖是SKM350MB120SCH17的部分參數(shù)，

3.IGBT和SBD混合模塊

上述可知，此時(shí)SBD基本沒有損耗，故混合模塊中只給出了結(jié)電容Cj和存儲(chǔ)電荷Qc以便計(jì)算存儲(chǔ)能量ECj。

下圖是SKM200GB12T4SiC2的部分參數(shù)，

4.SBD模塊

當(dāng)單獨(dú)使用SBD時(shí)，在規(guī)格書中只指定了Cj和Qc來(lái)描述動(dòng)態(tài)行為。因?yàn)镾BD沒有反向恢復(fù)，因此單獨(dú)使用時(shí)，僅SiCSBD (如整流器或者Buck/Boost變換器等)不需要其他動(dòng)態(tài)值或者曲線。

下圖是SKKE60S12(單個(gè)SBD模塊)的部分參數(shù)，

結(jié)語(yǔ)

寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅使得高壓SBD成為可能，SBD的關(guān)斷行為不同于pn結(jié)二極管，但如上所述好處顯而易見，特別是在高開關(guān)頻率的應(yīng)用中。而是否需要反并聯(lián)SBD，那便需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，具體情況具體分析了，寬禁帶的時(shí)代我想才剛剛開始……

審核編輯：湯梓紅