芯耀
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/引言/
碳化硅（SiC）器件憑借其出色的電氣和熱性能，正在逐步取代傳統(tǒng)硅（Si）器件，成為高效能電子系統(tǒng)中的新寵。那么，SiC到底有何獨(dú)特之處？特別是在反向恢復(fù)特性方面，它們又是如何改變游戲規(guī)則的呢？讓我們一探究竟！
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什么是反向恢復(fù)？
在傳統(tǒng)硅功率器件中，反向恢復(fù)現(xiàn)象主要與它們內(nèi)部的寄生二極管有關(guān)，指二極管從導(dǎo)通狀態(tài)（正向偏置）切換到反向阻斷狀態(tài)（反向偏置）時(shí)，產(chǎn)生的短暫反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間的現(xiàn)象。
其形成主要是由于在器件導(dǎo)通狀態(tài)下，載流子（電子和空穴）積累并注入到兩極之間的電荷存儲(chǔ)區(qū)域。當(dāng)電壓反轉(zhuǎn)時(shí)，這些存儲(chǔ)的電荷需要先被移除或復(fù)合，才能使器件完全進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)。為了移除這些載流子，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向電流，這就是反向恢復(fù)電流，這個(gè)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間就稱為反向恢復(fù)時(shí)間，時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于器件內(nèi)部載流子的存儲(chǔ)量、載流子的復(fù)合速度和擴(kuò)散速度，溫度等因素。這個(gè)反向恢復(fù)電流會(huì)疊加到換流開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通過(guò)程中，形成開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通電流尖峰。
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SiC器件是否存在反向恢復(fù)現(xiàn)象？
現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了：SiC器件到底有沒(méi)有反向恢復(fù)現(xiàn)象呢？
在回答這個(gè)問(wèn)題之前，先來(lái)看幾張實(shí)驗(yàn)波形，如圖1(a)、1(b)、1(c)，采用如圖1(d)所示的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行雙脈沖測(cè)試所得，其中紅色波形顯示的是流過(guò)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通電流，黑色波形是開(kāi)關(guān)管兩端的電壓。
(a)SIC MOS + SI Diode
(b)SIC MOS + SIC Body Diode
(c)SIC MOS + SIC Schottky Diode
(d)雙脈沖測(cè)試平臺(tái)示意圖
圖1. 不同組合下?lián)Q流，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通電流波形
可以看到無(wú)論是采用Si二極管、SiC-MOS的寄生二極管，還是SiC的肖特基二極管進(jìn)行換流，都觀察到在開(kāi)關(guān)管上的開(kāi)通電流尖峰。這是不是意味著無(wú)論Si還是SiC都存在反向恢復(fù)的問(wèn)題呢？
為了澄清這個(gè)問(wèn)題，需要回到前面闡述的二極管反向恢復(fù)的機(jī)理。反向恢復(fù)主要是由于少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)導(dǎo)致的。Si二極管以及SiC-MOS的寄生二極管因?yàn)槎际请p極性導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，因此存在反向恢復(fù)效應(yīng)。而肖特基二極管采用的是單極性載流子器件，因此SiC的肖特基二極管沒(méi)有少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，反向恢復(fù)現(xiàn)象應(yīng)該是不存在的。
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SiC肖特基二極管換流時(shí)，
開(kāi)關(guān)管開(kāi)通電流尖峰形成原因？
如前述分析，SiC肖特基二極管應(yīng)該不存在反向恢復(fù)現(xiàn)象，但是為什么采用SiC肖特基二極管換流時(shí)，開(kāi)關(guān)管依然存在開(kāi)通電流尖峰？為了方便分析這個(gè)問(wèn)題，基于Spice模型搭建仿真平臺(tái)進(jìn)行分析，如圖2所示。
圖2(a). 基于Spice的仿真平臺(tái)
圖2(b). 基于Spice的仿真波形
從圖2(b)的仿真，可以觀測(cè)到與實(shí)測(cè)類似的波形，即SiC-MOS與SiC肖特基二極管換流時(shí)，存在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的電流尖峰。進(jìn)一步分析，肖特基二極管可以等效為如下圖3所示的二極管與寄生電容并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。
圖3. SiC肖特基二極管的等效圖
通過(guò)查詢SiC肖特基二極管IDW30G120C5B的手冊(cè)，寄生電容如表1所示。在二極管兩端電壓為800V時(shí)，其寄生電容為111pF?？紤]這個(gè)因素，并聯(lián)額外電容Ca，如圖4(a)所示?？紤]Ca（none, 100pF, 200pF, 300pF）來(lái)模擬不同寄生電容對(duì)開(kāi)通的影響，其仿真結(jié)果如圖4(b)所示。
表1. IDW30G120C5B的寄生電容
圖4(a). 額外并聯(lián)電容來(lái)模擬不同寄生電容的Spice仿真電路
圖4(b). 考慮肖特基二極管的寄生電容的Spice仿真電路
表2. 不同的Ca下的仿真結(jié)果匯總
根據(jù)圖4(b)以及數(shù)據(jù)匯總表2，可以看到越大的等效寄生電容Ca，會(huì)造成越大的開(kāi)關(guān)管的電流尖峰。因此，在選擇SiC器件時(shí)，寄生電容是一個(gè)重要參數(shù)。
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結(jié)論?
綜上所述，盡管SiC肖特基二極管理論上不存在反向恢復(fù)電流，但由于寄生電容的存在（包括二極管的輸出電容Coss和系統(tǒng)寄生電容，如PCB的寄生電容），在上下橋臂換向過(guò)程中，續(xù)流橋臂的寄生電容充電電流會(huì)疊加到開(kāi)關(guān)器件上，產(chǎn)生類似于反向恢復(fù)電流的效應(yīng)。這可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電流應(yīng)力增加。
因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別關(guān)注盡可能減小系統(tǒng)的寄生電容。通過(guò)優(yōu)化PCB布局和選擇合適的器件，可以最大限度地降低寄生電容帶來(lái)的負(fù)面影響，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
