碳化硅“體”二極管和“外部”SBD的關斷過程對比

杜金凌

引言

近年來，半導體行業最為火熱的話題非寬禁帶半導體莫屬，如碳化硅(SiC)。由于其優越的物理和電氣特性，如高能量帶隙(eV)，高臨界擊穿場強(MV/cm)和高熱導率(W/cm·K)等，在硅基半導體叱咤風云數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硅基，具有更低的漏源極通態電阻(RDS,on)、寄生電容和反向恢復電荷(Qrr)，這使得變換器能夠在更高頻率下擁有更低的損耗。

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

pn結二極管和肖特基勢壘二極管

下面是pn結二極管和肖特基勢壘二極管的結構示意圖：

我們都知道在p摻雜和n摻雜處會形成pn結，形成一個pn結二極管，如上左圖。當施加正向偏壓時，n區的自由電子和p區的空穴流動，形成電子-空穴對，由于電子和空穴在導電時都攜帶電流，所以pn結二極管稱為雙極性器件。而肖特基勢壘二極管是通過金屬層和n摻雜半導體直接接觸而形成，如上右圖。由于沒有p摻雜的存在，傳導過程中不涉及空穴 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。相對于硅，碳化硅由于具有更寬的帶隙，意味著電子從價帶移動到導帶需要更大的能量，所以碳化硅基pn結二極管正向壓降比硅基的高很多。由于這個原因，碳化硅基的二極管器件構成一般為肖特基勢壘型而不是pn結二極管。另外 由于沒有pn結的原因，硅基SBD的擊穿電壓要低很多，但碳化硅的高擊穿場強使得SBD的擊穿電壓得以提高。

MOSFET中的體二極管示意圖如下：

當對MOSFET施加正柵極電壓時，p摻雜區域偏置，通道打開。電流可以通過器件從漏極流向源極(如左圖)。MOSFET的p摻雜區域和n摻雜區域形成pn結二極管(體二極管)，當MOSFET反向偏置時，體二級管變為正向偏置(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通道關閉(VGS≤0V)，體二極管表現為典型的pn二極管，正向電壓和電流呈指數關系(如中圖)。當柵極電壓為正時，MOSFET通道被部分打開，從而獲得較低的阻抗路徑(如右圖)，絕大多數電流由電子攜帶，使得其比單獨導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斷行為

二極管的關斷行為是電力電子電路中評估穩定性和開關損耗的一個關鍵點。上述pn結二極管和肖特基勢壘二極管在關斷時有著不同的表現。下面我們分別針對體二極管和反并聯SBD的關斷行為進行簡單的討論。

我們知道MOSFET中包含的三個寄生電容：柵源極電容Cgs，漏源極電容Cds和柵漏極電容Cgd。這三個電容參數可以得到輸出電容(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的非線性參數。同時，和MOSFET類似，反向阻斷模式下的二極管可以等效為電容Cak。這些寄生參數在二極管關斷過程中會引起除反向恢復外的額外電流。

1. 體二極管的關斷過程

對于任何MOSFET，體二極管關斷期間測量的電流(-ID/If)最多包含三個電流成分：

·反向恢復電流Irr

·寄生電容結電流ICj

·可能存在的寄生導通電流Ipto

我們從下面的示意圖來逐個解釋

首先，最直接的便是體二極管中由于電子-空穴對復合產生的反向恢復電流Irr，與關斷前的電流呈正比，產生的反向恢復電荷Qrr在芯片中耗散，產生熱量，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，僅有體二極管的前提下，Cj=Coss。由于關斷過程中電壓不斷上升，將產生一個dv/dt，此時在結電容上將形成相應的位移電流ICj。

由此產生的電流存儲在電容的能量為

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生的損耗外，ECj沒有產生真正的功率損耗。

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)，同時具有較高的開關速度引起的較高dv/dt，CGD形成的位移電流導致CGS被充電，通道會輕微打開，形成漏源極電流Ipto，從而產生相應的損耗，我們稱之為Epto。

雖然這不一定會造成破壞，但這種短暫的傳導會產生額外的損耗，而且并不總是均勻地分布在整個芯片上。如果允許多次的Ipto重復產生，可能會出現局部過熱點。

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

2.反并聯肖特基勢壘二極管的關斷過程

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

·反向恢復電流Irr

·寄生電容結電流ICj

·可能存在的寄生導通電流Ipto

如下圖，

在正常運行時，SBD將攜帶絕大數的電流，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產生反向恢復電流。值得注意的是，如果產生寄生導通電流Ipto，因其是流過MOSFET，故其產生的損耗不能歸結于SBD。

這里SEMIKRON在帶有反并聯SBD的全碳化硅模塊中增加了一個新術語Err(MOSFET)，用來描述ECj和Epto產生的能量，而不是真正的反向恢復能量。因為ECj是純電容性的，對器件自熱沒有明顯的影響，所以可以忽略。然而SEMIKRON規格書中沒有從Err(MOSFET)中減去ECj，目的是為了更好地反映了真實的測量值。

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

3.單獨肖特基勢壘二極管的關斷過程

如果單獨使用SBD，那么二極管關斷時電流只包含一個電流：

·反向恢復電流Irr

·寄生電容結電流ICj

·可能存在的寄生導通電流Ipto

如下圖，

如上所述，此容性電流在芯片內不會產生損耗，因此，SiCSBD本身的開關損耗可以忽略不計。

下圖是SEMIKRON62mm的混合碳化硅模塊SKM200GB12T4SiC2(SiIGBT + SiC SBD)的二極管關斷波形。IGBT的寄生導通風險幾乎為零，在二極管關斷過程中只有SBD，并且反向恢復為零，而由IGBT和SBD寄生電容引起的電流仍然存在并且由于系統寄生參數可能產生一些振蕩。

SEMIKRON模塊規格書

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

1.全碳化硅模塊(體二極管)

因為此類型模塊僅依賴于體二極管，因此，為二極管指定了Irr，Qrr和Err。這些值包含了寄生導通的影響。但由于這兩種損耗在同一個開關中產生，所以并沒有進行具體區分。這些值也包含了結電容Cj造成的影響。

下圖是SKM350MB120SCH15的部分參數，

其中，電流、di/dt和結溫都會影響體二極管的反向恢復過程，在進行不同模塊對比時需要注意。

2.全碳化硅模塊(帶反并聯SBD)

通常反并聯SBD來改善開關過程，上述提到的Err(MOSFET)包含在動態曲線中，以及SBD的結電容Cj和存儲電荷Qc也在規格書中給到，以便計算存儲能量ECj。

下圖是SKM350MB120SCH17的部分參數，

3.IGBT和SBD混合模塊

上述可知，此時SBD基本沒有損耗，故混合模塊中只給出了結電容Cj和存儲電荷Qc以便計算存儲能量ECj。

下圖是SKM200GB12T4SiC2的部分參數，

4.SBD模塊

當單獨使用SBD時，在規格書中只指定了Cj和Qc來描述動態行為。因為SBD沒有反向恢復，因此單獨使用時，僅SiCSBD (如整流器或者Buck/Boost變換器等)不需要其他動態值或者曲線。

下圖是SKKE60S12(單個SBD模塊)的部分參數，

結語

寬禁帶半導體碳化硅使得高壓SBD成為可能，SBD的關斷行為不同于pn結二極管，但如上所述好處顯而易見，特別是在高開關頻率的應用中。而是否需要反并聯SBD，那便需要結合實際應用，具體情況具體分析了，寬禁帶的時代我想才剛剛開始……

審核編輯：湯梓紅