隨著寬禁帶半導體技術(shù)的日益普及，需要在高溫和苛刻的電流循環(huán)條件下，對二極管操作進行各種耐久性測試，以評估其性能。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(xù)發(fā)展。而新型碳化硅（SiC）半導體材料更是不負眾望，它比傳統(tǒng)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(tǒng)。二極管已經(jīng)升級為碳化硅開關，如JFET、BJT和MOSFET。目前市場上已經(jīng)可以提供擊穿電壓為600-1700 V、且額定電流為1 A-60 A的碳化硅開關。本文的重點是如何有效地檢測Sic MOSFET。

圖1: 首款商用SiC MOSEFT-CMF20120D

碳化硅二極管

最初的二極管非常簡單，但隨著技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了升級的JFET、MOSFET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時間、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(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。硅材料具有一個特性，就是隨著溫度的升高，其直接表征會發(fā)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：1200 V;

˙連續(xù)正向電流If：5 A（+ 150℃時）;

˙浪涌非重復正向電流：23 A（PW = 10ms正弦曲線，Tj = + 25℃；

˙浪涌非重復正向電流：17 A（PW = 10ms正弦曲線，Tj= + 150℃）；

˙浪涌非重復正向電流：80 A（PW = 10μs方波，Tj= + 25℃）；

˙總功耗：88 W；

˙結(jié)溫：+ 175℃；

˙TO-220AC封裝。

圖2: 羅姆SCS205KG SiC二極管

羅姆半導體公司的SCS205KG SiC二極管性能穩(wěn)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(shù)據(jù)手冊中有關正向電壓的相關數(shù)據(jù)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SCS205KG SiC二極管與一個阻值約6.7歐姆的電阻串聯(lián)，以允許5 A的電流通過電路。其電源電壓設置為36V。為了更好地優(yōu)化功耗和散熱性能，我們使用了十個并聯(lián)的67歐姆電阻，以模擬單個6.7 ohm電阻。每個電阻的功率必須至少為20W。肖特基二極管SCS205KG的數(shù)據(jù)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℃: 1.4 V;

If=5A, Tj=+150℃: 1.8 V;

If=5A, Tj=+175℃: 1.9 V.

這些數(shù)據(jù)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(tǒng)性能。我們使用如下的SPICE指令，在0℃至200℃的溫度范圍內(nèi)進行直流掃描仿真，以測量功率二極管兩端的電壓：

.DC temp 0 200 25

仿真結(jié)果返回了在不同溫度下二極管上的電壓值，這些數(shù)據(jù)完全符合器件數(shù)據(jù)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”。由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。

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(lián)。另有一個阻值很高的第二電阻與二極管并聯(lián)。電源電壓是設置為1 V的正弦波電源。我們可以執(zhí)行如下的SPICE指令進行AC仿真，在200 MHz至2 MHz頻率范圍內(nèi)，對功率二極管的電容電抗進行測量：

.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。

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(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(zhí)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(shù)據(jù)手冊中有關反向電流的相關數(shù)據(jù)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(lián)。電源電壓是設置為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+ 20℃至+ 200℃的溫度范圍內(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。

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0 V至1200 V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(jié)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(chǎn)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(yōu)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。
編輯：hfy