發布日期：2022-10-09 點擊率：70
【導讀】隨著寬禁帶半導體技術的廣泛應用，需要將二極管在高溫和苛刻的電流循環條件下，進行各種耐久性測試，來評估其性能。毫無疑問，功率電子器件作為基本元器件，將在未來幾年中持續發展。而新型碳化硅（SiC）半導體材料更是不負眾望，它比傳統硅材料導熱性更佳、開關速度更高，而且可以使器件尺寸做到更小。因此，碳化硅開關也成為設計人員的新寵。
隨著寬禁帶半導體技術的廣泛應用，需要將二極管在高溫和苛刻的電流循環條件下，進行各種耐久性測試，來評估其性能。毫無疑問，功率電子器件作為基本元器件，將在未來幾年中持續發展。而新型碳化硅（SiC）半導體材料更是不負眾望，它比傳統硅材料導熱性更佳、開關速度更高，而且可以使器件尺寸做到更小。因此，碳化硅開關也成為設計人員的新寵。
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二極管十多年前就已推出。從那時起，它就開始進入電源系統。二極管已經升級為碳化硅開關，如JFET、BJT和MOSFET。目前市場上已經可以提供擊穿電壓為600-1700V、且額定電流為1A-60A的碳化硅開關。本文的重點是如何有效地檢測SicMOSFET。
圖1:首款商用SiCMOSEFT-CMF20120D
碳化硅二極管
最初的二極管非常簡單，但隨著技術的發展，逐漸出現了升級的JFET、MOSFET和雙極晶體管。碳化硅肖特基二極管優勢明顯，它具有高開關性能、高效率和高功率密度等特性，而且系統成本較低。這些二極管具有零反向恢復時間、低正向壓降、電流穩定性、高抗浪涌電壓能力和正溫度系數。
新型二極管適合各種應用中的功率變換器，包括光伏太陽能逆變器、電動車（EV）充電器、電源和汽車應用。與傳統硅材料相比，新型二極管具有更低的漏電流和更高的摻雜濃度。硅材料具有一個特性，就是隨著溫度的升高，其直接表征會發生很大變化。而碳化硅是一種非常堅固且可靠的材料，不過碳化硅仍局限于小尺寸應用。
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體的SCS205KG型號，它是一種SiC肖特基勢壘二極管（圖2）。其主要特性如下：
˙反向電壓Vr：1200V;
˙連續正向電流If：5A（+150℃時）;
˙浪涌非重復正向電流：23A（PW=10ms正弦曲線，Tj=+25℃；
˙浪涌非重復正向電流：17A（PW=10ms正弦曲線，Tj=+150℃）；
˙浪涌非重復正向電流：80A（PW=10μs方波，Tj=+25℃）；
˙總功耗：88W；
˙結溫：+175℃；
˙TO-220AC封裝。
圖2:羅姆SCS205KGSiC二極管
羅姆半導體公司的SCS205KGSiC二極管性能穩固，恢復時間短且切換速度快。其官方SPICE模型允許用戶在任何條件下對器件進行仿真。
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，器件數據手冊中有關正向電壓的相關數據摘錄。
圖3：SiC二極管的正向電壓測試原理圖
測試接線圖中，肖特基SCS205KGSiC二極管與一個阻值約6.7歐姆的電阻串聯，以允許5A的電流通過電路。其電源電壓設置為36V。為了更好地優化功耗和散熱性能，我們使用了十個并聯的67歐姆電阻，以模擬單個6.7ohm電阻。每個電阻的功率必須至少為20W。肖特基二極管SCS205KG的數據手冊中明確了在各種工作溫度下器件兩端的電壓值：
If=5A,Tj=+25℃:1.4V;
If=5A,Tj=+150℃:1.8V;
If=5A,Tj=+175℃:1.9V.
這些數據說明了二極管兩端的電壓高度依賴于溫度。因此，設計人員必須盡可能地抑制這種電壓波動，以免影響最終的系統性能。我們使用如下的SPICE指令，在0℃至200℃的溫度范圍內進行直流掃描仿真，以測量功率二極管兩端的電壓：
.DCtemp020025
仿真結果返回了在不同溫度下二極管上的電壓值，這些數據完全符合器件數據手冊中提供的指標。其中紅色框中包含了文檔中報告的測試溫度。
表1：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36V電壓，黃色曲線表示陰極上的電壓變化。其電位差構成了“正向電壓”。由于陽極和陰極的電壓之間存在代數差，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完成。
圖4：仿真在時域中測量SiC二極管的正向電壓
電容電抗
其次，我們測量SiC二極管的電容電抗。圖5所示為簡單的測試電路及其三維示意圖。
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與一個阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯。另有一個阻值很高的第二電阻與二極管并聯。電源電壓是設置為1V的正弦波電源。我們可以執行如下的SPICE指令進行AC仿真，在200MHz至2MHz頻率范圍內，對功率二極管的電容電抗進行測量：
.AClin10000.2Meg2Meg
仿真結果（參見圖6）顯示出在正弦波不同頻率下的不同電容電抗。
圖6：該仿真在頻域中測量SiC二極管的電容電抗。二極管表現為一個小型電容器，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。它發生在頻域中的AC。
IM(V(n002)/I(R1))
圖7：二極管電容電抗的計算公式
二極管可以用電容器代替，以便用真實器件來執行另一個仿真。
反向電流
第三個要測量的是SiC二極管的反向電流。圖8所示為一個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，器件數據手冊中有關反向電流的相關數據摘錄。
圖8：SiC二極管反向電流的測試示意圖
電路圖（圖8）中，肖特基SiC二極管SCS205KG與一個阻值低至約0.1歐姆的電阻串聯。電源電壓是設置為1200V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，執行DC仿真（掃頻），測試在+20℃至+200℃的溫度范圍內流過二極管的反向電流。
.DCTEMP202001
如圖9所示，隨溫度變化，二極管上只有很少的反向電流經過。
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+25℃的恒定溫度下，當施加到二極管的電壓在0V至1200V之間變化時，反向電流的變化曲線。
圖10：在25℃溫度下，反向電流與施加到二極管上的電壓關系圖。
結論
碳化硅二極管具有非常快速的恢復時間，這可提高開關速率，并減小磁性元件和其它無源元件的尺寸，從而使最終產品具有更高的功率密度。對于電源開關應用，碳化硅二極管在效率和熱性能方面也具備顯著的優勢。這種器件可以在更高的溫度下運行，而溫度是改變電子器件工作條件的重要因素。如果采用真正的SiC器件進行真實測試與仿真會更加有趣，這樣可以評估仿真器以及SPICE模型的功效和實用性。
（來源：電子發燒友）
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