探究快速開關應用中SiC MOSFET體二極管的關斷特性

作者簡介

Paul Sochor, Andreas Huerner, Michael Hell, Rudolf Elpelt

英飛凌科技股份公司，德國

通訊作者：Paul Sochor，paul.sochor@infineon.com

摘要

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SiC MOSFET體二極管的關斷特性與IGBT電路中硅基PN二極管不同，這是因為SiC MOSFET體二極管具有獨特的特性。對于1200V SiC MOSFET來說，輸出電容的影響較大，而PN二極管的雙極電荷影響較小。然而，在高溫和高電流密度條件下，雙極電荷與電容電荷同樣重要，即使對于1200V器件來說也是如此。在快速開關應用中，換流回路雜散電感會對體二極管關斷產生顯著的影響，而這種影響會導致產生明顯的浪涌電壓和振蕩。對于硅基PN二極管來說，關斷損耗具體為反向恢復能量損耗。然而，對于SiC MOSFET來說，Erec和Qrr的傳統計算方法可能會產生具有誤導性且與實際特性不一致的結果，因此Erec和Qrr不能表明器件的實際特性。本文探討了SiC MOSFET的獨有特性以及影響體二極管關斷特性的多個影響因素，并且闡明了快速開關應用中SiC MOSFET的反向恢復損耗概念。

1.引言

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碳化硅（SiC）MOSFET使電力電子電路能夠以超快的開關速度工作，同時電壓和電流轉換速率可以分別遠超100V/ns和10A/ns。然而，半導體的開關性能不僅取決于器件的固有特性，而且在很大程度上取決于器件的外部電路和驅動條件。調整SiC MOSFET的外部電路可以顯著提高其動態特性[1]。

當探討SiC MOSFET的動態特性時，重點往往放在SiC MOSFET本身的開通和關斷特性上。關于SiC MOSFET體二極管動態特性的論文很少[2][3]，并且相關標準和數據表中尚未充分覆蓋該主題。由于SiC MOSFET在開通狀態下可以傳導正電流和負電流，因此通常只需要體二極管在極短的死區時間內傳導電流。當負載電流從將要關斷的器件換流到另一個已關斷SiC MOSFET的無源體二極管時，就會存在死區時間。一旦換流對管開關再次開通并接管負載電流，體二極管會進行自關斷（比較圖1）。體二極管關斷是一種被動行為，因為它總是由另一個SiC MOSFET觸發，而這另一個SiC MOSFET由正柵極電壓脈沖主動開通。

圖1：體二極管關斷實例的簡化電路圖。

體二極管是一種PN二極管，它在傳導電流時會積聚電子空穴等離子體[4]。當體二極管關斷時，雙極等離子體電荷從二極管的漂移區被掃出，同時建立空間電荷區阻斷母線電壓。此外，空間電荷區產生電容Coss。關斷過程中Coss被充電，達到Vdc。PN二極管的這個關斷過程通常稱為反向恢復，由雙極電流和電容電流驅動。

2. 體二極管關斷特征

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SiC材料的介電強度大約是硅（Si）的10倍。因此，SiC器件阻斷某一電壓所需的漂移區厚度要比硅基器件薄得多。盡管硅基器件和SiC器件的原理相同，但對于電壓等級相同的器件，雙極電荷和電容電荷的比例差別很大。簡單來說，與1200V硅基二極管相比，1200V SiC MOSFET的體二極管在傳導過程中存儲的雙極電荷更少，而關斷狀態下的耗盡層電容比1200V硅基二極管要高得多（這是由于漂移層較?。?。電容電荷與雙極電荷的實際比例在很大程度上取決于阻斷電壓。

圖2是Si二極管反向恢復特性的簡化示意圖。Si二極管的開關速度是由電子-空穴等離子體從其漂移區被移出的速率決定。一旦PN結處的等離子體濃度為零，二極管就可以建立電壓。關斷過程中的靜電荷稱為反向恢復電荷，可以根據瞬態電流波形進行計算：

反向恢復電荷是半導體器件的一個特性，它由雙極電荷Qbip和電容電荷Qoss組成。Qbip為關斷過程中被掃出的已存儲雙極電荷。Qoss為輸出電容Coss充電到直流鏈路電壓過程中產生的電容電荷。

與(1)類似，反向恢復過程的能量按以下公式計算：

Ebip是在二極管漂移區電場不斷增大的情況下，主動消除雙極載流子產生的能量。該雙極能量在反向恢復過程中損耗，并且有助于二極管升溫。Eoss是將輸出電容Coss充電到直流母線電壓所需的電容能量。此能量不會以二極管內熱量的形式損耗，因為它僅在二極管關斷時存儲在Coss的電場中。此能量通常在體二極管再次開通后恢復。

圖2：慢速硅基PN二極管關斷特性的簡化示意圖。

兩個主要參數可以用于清楚地區分SiC MOSFET體二極管與配置反并聯硅基PN二極管的Si IGBT器件的關斷特性，即Qoss/Qbip比和開關速度。

由于Qoss/Qbip比更高，SiC MOSFET體二極管（盡管為PN二極管）的動態特性很大程度上由其電容特性決定。這一點適用于1200V及以下電壓等級。對于更高電壓等級，該比值中Qbip變大。對于電壓等級≥1200V的Si二極管，動態特性主要由二極管的雙極特性決定。然而，如后文所示，在高電流和高溫條件下，SiC MOSFET體二極管的雙極特性更加明顯。

第二個參數是開關速度。當SiC MOSFET體二極管在高電感環境中運行時，開關速度尤其重要。后文將更詳細地探討這一重要參數。

3. 實驗設置

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本文使用帶有可調節換流回路雜散電感的自定義雙脈沖試驗裝置研究體二極管的關斷特性。該試驗裝置由兩個分離的PCB板組成：一個直流母線電容組和一個雙脈沖板。其中，雙脈沖板帶有采用分立TO247-4封裝的高邊和低邊SiC MOSFET開關。為突出相關效應，本文選用的兩個SiC MOSFET是定制測試器件，相當于1200V、45m? CoolSiC MOSFET（IMZ120R045M1），但是其芯片尺寸大約是同等技術的2.7倍。

兩個測試板之間可以用可變長度和位置的銅排連接，以調節換流回路的雜散電感Lσ。如果不使用母線軌（而采用直連），則試驗裝置的Lσ變得非常小。為了進一步降低Lσ，本研究還設計了另一個相同的試驗裝置。該試驗裝置配有額外的低ESL直流母線陶瓷電容，設置在很靠近兩個開關的位置，以大幅縮短換流通路。在該低電感配置中，試驗裝置的Lσ降低到6nH左右（不包括TO247封裝的寄生電感）。在該試驗裝置中，TO247封裝的雜散電感約為4.5nH。

圖3為高電感配置中試驗裝置的圖片。從頂部看，低電感試驗裝置與高電感試驗裝置相同，而不同之處在于低電感裝置未使用母線軌。本文在兩種不同的試驗配置下研究SiC MOSFET體二極管的開關特性。在兩種配置中，總Lσ（包括板和封裝）分別約為15nH和50nH。

使用另一個相同的試驗裝置十分重要。這有助于排除研究中可能產生誤導性結果的其他可能的影響因素。在極快開關速度下測量SiC MOSFET尤其具有挑戰性，因為測量過程中存在許多潛在的誤差來源。除了本文所討論的電路板雜散電感的影響，所使用的電流傳感器的質量（特別是帶寬）、正確的延時補償（偏差補償）和防止可能發生再次開通的低阻抗柵極驅動器連接，對于恰當地表征體二極管的關斷特性至關重要。

4. 影響二極管關斷特性的因素

”

若干因素會對體二極管的關斷特性產生顯著的影響。選用SiC MOSFET的電路設計師應該全面地了解這些影響因素，以及如何解釋Qrr或Erec等數值。適當地考慮某些影響因素并在電路設計層面采取優化措施，有助于提升許多應用中體二極管的性能優勢。

圖3：帶有可變換流雜散電感的自定義雙脈沖試驗裝置。圖中顯示了高電感配置。

SiC MOSFET體二極管的特性具有動態特征，就像一個與非線性電容Coss并聯的單向非線性電阻器。在較高電流和較高溫度下，雙極效應會顯現出來。體二極管不能自關斷，而是需要其換流對管接管負載電流。因此，體二極管處的開關條件取決于其有源換流對管開關的開關速度。

4.1

雜散電感

電路的雜散電感對體二極管的特性和SiC MOSFET在快速開關應用中的性能有很大的影響[1][5]。[1]中闡述了換流回路雜散電感Lσ如何影響體二極管處的浪涌電壓，以及體二極管處的浪涌電壓成為了提升開關速度的限制因素。

對于慢速體二極管關斷（即使用較大的柵極電阻Rg,ext），雜散電感對Qrr或Erec的結果影響較小。圖4顯示，低至2A的極小體二極管電流被緩慢關斷。高雜散電感配置和低雜散電感配置下的波形差別很小，并且兩種配置下根據公式(1)和(2)計算的Qrr和Erec值大致相等。

對于極小的體二極管電流，雙極電荷的影響可以忽略不計，因為體二極管漂移區的電子空穴-等離子體濃度很低。在這種情況下，Qrr和Erec主要是電容電荷，即Qrr≈Qoss；Erec≈Eoss。

圖4：當電流極小時，緩慢關斷的比較。Erec計算值約等于Eoss。Lσ的影響很小，可以忽略不計。

如果電流較大且開關速度很快，情況會大不相同。如果有源SiC MOSFET的開通速度非?？?，則無源SiC MOSFET體二極管的關斷也非?？?。由于存在Coss，當Lσ值較大時，快速開關實例可能觸發明顯的電流和電壓振蕩，這是由于Lσ和Coss形成了LC振蕩器。這些振蕩加強了反向恢復特性，并且可能產生有誤導性的Qrr或Erec值。

圖5顯示了當雜散電感較小和較大時，體二極管非?？焖俚仃P斷了60A電流。盡管兩種配置下電路在其他方面均相同，關斷特性卻明顯不同，并且Qrr和Erec的計算值相差超過2倍。圖5很好地說明了兩種測量實際上都不能得出準確的值。由于LC振蕩產生的額外電荷和能量，高電感配置下測量的Qrr值和Erec值高于實際值，而低電感配置下測量的值低于實際值。在低電感試驗裝置中，電流波形上小得多但明顯可見的振蕩，在vds達到其直流鏈路值之前產生過零。因此，將(1)中trr2設定為比有實際意義的值更小的值。如果開關略慢或Lσ略小，產生過零的時間要晚得多，因此測得的Qrr值和Erec值會差別很大。

圖5：較大電流下快速體二極管關斷。LC振蕩的影響顯而易見。注：兩種測量中Qrr值和Erec值均不正確。

這個例子清楚地表明，在SiC MOSFET的快速開關實例中運用(1)和(2)會導致實際二極管性能結果不正確且不一致。只要開關過程觸發明顯的振蕩，即使在低電感試驗裝置中也是如此。對于快速開關SiC MOSFET，(1)和(2)只能在下述條件下使用：試驗裝置的Lσ足夠低，或者開關速度設置得足夠低，以至于開關過程不會觸發大幅震蕩。然而，在慢速開關條件下，載流子復合會對結果產生重大影響，并且與實際應用的條件有偏差。

另一種更適合計算快速開關SiC MOSEFT的反向恢復電荷和能量的方法如下：將積分上限（trr2）設置為vds達到直流母線電壓98%左右的時間。

公式(3)和(4)在很大程度上抑制了Lσ的影響，產生了與實際二極管特性更一致的結果。然而，這兩個公式有一定的局限性，即假設在關斷過程中，漂移區電場到達漂移區背面的高摻雜n+場停止層。如果滿足該假設條件，當vds=Vdc時，漂移區內所有等離子體電荷將被有效地掃出。該條件需要解釋正確的Qoss，而當vds足夠大時，雙極電荷Qbip變化不大。

為確保公式(3)和(4)的適用性，關斷過程中的直流母線電壓或電壓浪涌需要足夠高。如果vds沒有達到足夠高的電壓等級，電場將不能掃出整個漂移區，而是會留下一定數量的等離子體電荷。然后，這些等離子電荷將通過載流子復合逐漸消失。圖6解釋了這種效應。如果Vdc大于600V，vds達到98% Vdc的時間trr2大致與id為零的時間相一致。如果Vdc為300V，則情況將有所不同。當達到Vdc時，仍存在明顯的電流流動。

圖6：直流母線電壓對新計算方法適用性的影響。注：已設置Rg,ext值，以便根據類似的di/dt值進行調整。

4.2

二極管電流和溫度

雙極電荷Qbip與溫度[2][5]和電流密度存在明顯的關系，這是由載流子壽命、遷移率以及其他參數的變化造成的。這種情況與Qoss不同。通?？梢哉J為，Qoss不受溫度和電流密度的影響，但是與電壓存在高度非線性關系。

在典型工作電壓、室溫和低電流密度條件下，Qbip比Qoss小，可以忽略不計。如圖4所示，低電流下慢速開關是實驗中量化Qoss的一個合適條件。

隨著電流增大和溫度升高，Qbip對反向恢復電荷的貢獻增加。在某個點上，Qbip的貢獻超過Qoss，并且體二極管的動態特性改由漂移區消除的等離子體控制。

圖7顯示了開關過程中與溫度的關系。除了反向恢復電荷和反向峰值電流的增加，我們會注意到，在溫度更高和其他di/dt相同的條件下，振蕩的阻尼變大。與Si二極管類似，雙極等離子體對開關過程中觸發的LC振蕩發揮阻尼作用。

圖7：SiC MOSFET體二極管關斷過程中與溫度的關系。該測量中，僅加熱無源SiC MOSFET。

圖8顯示了在不同電流和溫度條件下，運用公式(3)計算的Qbip和Qoss之間的關系。由于該試驗中直流母線電壓設置為800V，Qoss電荷為恒定值，并且不受開關條件的影響。

圖8：當Vdc=800V時，在不同電流和溫度條件下評價反向恢復電荷。

4.3

開關速度

漂移區等離子體中的自由載流子具有一定的復合壽命。如果通過增大Rg,ext將開關速度調得足夠慢，那么漂移區內一定數量的電荷在被電場主動掃出之前，將通過復合而消失。

當運用公式(1)和(2)計算慢速和快速開關條件下的Qrr和Erec時，我們會發現它們與開關速度存在明顯的關系。這種關系似乎表明，隨著開關速度加快，Qrr和Erec顯著增大。根據這一結果，我們實際上可以假設，漂移區內的復合壽命僅為幾納秒。然而，當Lσ較大且開關速度較快時，情況并非如此，而是由于LC振蕩對運用公式(1)和(2)所計算的結果產生較大影響導致的直接結果。

公式(3)和(4)更適合研究載流子復合的影響，因為這兩個公式抑制了Lσ的影響。如圖9所示，低雜散電感和高雜散電感配置中測得的反向恢復電荷隨二極管電流轉換速率（di/dt）的變化而變化。該轉換速率由有源SiC MOSFET的開通速度控制，而開通速度通過改變Rg,ext控制。從圖中可以看出，在相對較大的di/dt范圍內，反向恢復電荷基本保持恒定。同時，假設測量精度存在某種程度的不確定性，高雜散電感和低雜散電感配置下測量的值大致相等。對于本實驗中的特定器件，載流子復合效應在典型開關速度中并不起主要作用。值得注意的是，復合效應取決于技術和器件。對于芯片面積較大的模塊，由于與分立器件相比，其開關速度相對較慢，復合效應可能產生重大影響。

圖9：當Vdc=800V且Iload=60A時，不同溫度下二極管電流轉換速率對反向恢復電荷的影響。

4.4

關斷柵極電壓

反向恢復電荷取決于SiC MOSFET的關斷柵極電壓 Vgs,off[3]。典型關斷電壓范圍為-5V到0V。當關斷電壓約為0V，PN結處的電流密度低于關斷電壓為-5V時的電流密度，這是因為總電流的一部分流經MOS通道。因此，在固定器件電流條件下，漂移區的等離子體濃度更低，需要被掃出的電荷更少。

圖10強調了不同關斷電壓對關斷特性的影響。從圖中可以看出，當關斷柵極電壓為0V時，Qrr?和Erec?值降低。當Vgs,off=0V時，體二極管處的過電壓和振蕩也有所改善。

圖10：當T=150°C時，不同柵極關斷電壓下的快速體二極管關斷。圖中僅無源器件在不同電壓等級下偏置。

在0V關斷柵極電壓下運行SiC MOSFET還會帶來其他裨益，比如簡化柵極驅動器設計和降低柵極驅動器成本。然而，這也存在寄生元件開通的風險[6]，這最終可能顯著增加開關損耗。寄生元件開通是由體二極管關斷實例中非常高的dv/dt轉換速率觸發。圖5明確表明，高雜散電感導致這些電壓轉換速率高于實際值。這就是為什么在0V關斷電壓下快速開關需要具備下述特征的電路設計：產生較低換流回路雜散電感和具備低阻抗柵極驅動器接口。

4.5

死區時間

在SiC MOSFET的典型應用中，體二極管僅在兩個開關實例之間極短的死區時間內傳導電流。應用電路中的典型死區時間在150ns至1μs之間。死區時間對體二極管的關斷特性產生影響[7]。當開始導通電流時，二極管逐漸積聚等離子體，直到載流子產生與復合之間達到平衡。二極管電壓起初較高，但會隨著等離子體濃度增加到穩態值而降低。

當死區時間設置為極短時間時，漂移區的等離子體在體二極管關斷時可能還未完全建立起來。因此，必須從漂移區消除的電荷量比死區時間很長時要少。圖11顯示了死區時間較短的影響。從圖中可以看出，與死區時間為1μs相比，死區時間為300ns時，反向恢復電荷顯著減少。漂移區的等離子體濃度在死區時間為500ns至1μs時達到飽和。當 td≥1μs，可以看出反向恢復特性無差異。

圖11：在T=150°C條件下，不同死區時間下的快速體二極管關斷。

由于等離子體濃度降低，較短的死區時間可以顯著減少恢復損耗、過電壓和相關的振蕩行為。然而，典型應用實際設定了死區時間可以縮短多少的限值。該實際限值受SiC MOSFET本身性能的影響較小。這是因為，如果外部電路設計得當，SiC MOSFET可以在非?？斓拈_關速度下工作。典型限制針對柵極驅動器和控制器外圍，可能包括柵極驅動IC或隔離級的傳輸延遲時間變化。

5. 反向恢復損耗

”

體二極管的關斷造成損耗，這會導致半導體器件中產生焦耳熱。Erec通常指反向恢復損耗。然而，只有當電容電荷Eoss比Ebip小且可以忽略不計（針對高電壓等級硅基二極管）時，這一點才成立。Eoss相當于當SiC MOSFET阻斷電壓時存儲在Coss中的電能。一旦體二極管再次開通，該能量恢復，并且不會以熱量損耗的形式在體二極管中消散。然而，由于Coss并非理想的電容，且具有一定的損耗因數，因此不能假設恢復能效達到100%。這會涉及一小部分電容損耗，但在本研究中可以忽略不計。

僅Ebip完全成為體二極管的關斷損耗的一部分。計算反向恢復損耗時，必須從Erec或Erec?中減去Eoss：

除了造成自發熱損耗，體二極管的反向恢復電荷還會造成換流“搭檔”的損耗。換流“搭檔”主動開通并接管負載電流。有源開關上的額外損耗程度如圖12所示。圖中，有源開關溫度保持在T=25°C，僅加熱無源器件。將Eon和Eoff與Erec,loss?進行比較，可以看出Erec,loss?比較小。圖12還表明，反向恢復對有源器件開通損耗的影響遠大于體二極管的關斷損耗。

圖12：當Vdc=800V時，反向恢復對快速開關的Eon和Eoff的影響。僅加熱無源器件以突出該影響。

6. 小結與結論

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整體式體二極管的動態特性在快速SiC MOSFET的開關過程中發揮著至關重要的作用。本文強調了SiC MOSFET體二極管相較于Si二極管的獨有特性，并探討了在快速開關電路中影響關斷特性的多個因素。

由于換流回路雜散電感不可避免，快速開關實例觸發了明顯的振蕩。電路中的雜散電感放大了快速開關實例的影響。運用針對Si二極管的常用Qrr和Erec計算公式得出的器件特性結果具有誤導性，因此不適合快速開關SiC MOSFET。這些值中包括振蕩產生的大量額外電荷，而這些值最終取決于外部電路，而非器件本身的特性。即使在本文中經優化的極低電感試驗裝置中，快速開關瞬態過程中所發生的振蕩的影響也不能完全消除。

本文提出了一種替代計算方法。運用該方法的計算結果與實際特性更加一致，并且幾乎能夠抑制電路中雜散電感的影響。盡管這種方法有一定的局限性，但它可以用于計算典型工況下的反向恢復特性。

本文研究和探討了開關速度、柵極關斷電壓、死區時間和溫度等因素對反向恢復電荷和能量的影響。結果表明，當電流較小和溫度處于中等水平時，雙極電荷可以忽略不計。該試驗中，體二極管在關斷過程中顯示出電容特性。當電流較大且溫度較高時，雙極特性在動態特性中起到重要作用。然而，雙極效應的影響在很大程度上取決于器件的電壓等級。除此之外，還可能存在其他器件特定效應，這需要單獨進行研究和探討。