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    • 出现在混合SiC器件中的振荡
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Oscillation of SiC SBD 碳化硅肖特基二极管的震荡

2021/12/27
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2021年,疫情持续的一年,平凡而又不平静的一年,有喜有悲,有期待的有祈祷的。就这样在今年寥寥的几篇更新的我,只想几天过后的来年能够发生更多“令人满意”的喜悦......

希望大家能够多点时间照顾好自己,多点时间照顾好父母,多点时间将爱情、亲情、友情放在日程上,因为不知道哪一天它就不会再给我们机会了。

好了,希望一切都好。让我们开始今天的话题,宽禁带半导体(这里主要就SiC展开)中普遍易于硅基的振荡。

宽禁带半导体的优势这里就不再赘述了,日趋成熟,大势所趋。相对于硅基功率器件,在SiC器件在击穿场强、饱和漂移 速度和热导率等方面优势的背后,驱动、封装等也有很多需要配合改进的地方,当然这也是SiC普及受限的一部分因素。今天我们聊的是SiC器件在其工作中出现的一种振荡现象,也是最近工作中遇到的一个问题,希望能够分享给你们。

出现在混合SiC器件中的振荡

随着传统Si基IGBT的局限性,SiC器件厚积薄发,但迫于其并未如硅基器件那样的受宠多年,所以其在成本上还是有些许高,但未来必定会受宠万千。所以目前流行的是混合器件,即Si-IGBT+SiC-SBD,满足目前对于器件性价比的需求。

最近在一款混合SiC模块中发现了一种振荡,而这种振荡只存在于与SiC-SBD有关联的回路中,主要发生在二极管关断的过程,同时其关断时的反向恢复电流会叠加到对应的IGBT上,所以一般会附带IGBT的部分参数出现关联振荡。(这里就不插入波形了,你们如果遇到关于SiC-SBD的振荡时可以尝试从下面分析角度出发进行展开)

重温二极管的关断过程

前面我们聊过续流二极管的反向恢复过程,今天我们再重新温顾下,振荡与此相关。

上图是二极管反向恢复的电压电流波形变化过程,我们可以将其分为5个阶段:

①从t0时二极管被加上反向电压,电流开始以di/dt的速率下降,到t1时,电流降到0;

②从t1开始,二极管的电流由正转负,当到t2时,二极管pn结的过剩载流子浓度降为0,此阶段结束;

③从该阶段开始,二极管开始建立反向电压,此时耗尽区通过进一步抽取漂移区存储的电荷向外扩展,二极管两端的电压以dv/dt的速率增加,当到t3时,二极管两端的电压达到反向电压VDC,同时电流下降速率di/dt减小为0,反向恢复电流达到最大值Ipr;

④该阶段开始,反向恢复电流从刚刚的Ipr开始以diR/dt的速率减小,而电压仍在增加,直到t4时,二极管反向电压达到最大值Vpr;

⑤最后一个阶段。电压开始下降,直到稳定在VDC。

细品二极管的反向恢复过程

基于双脉冲测试(前期验证器件性能的最直观简单的接地气方式)过程,我们结合内外围参数来聊聊二极管的反向恢复过程。

双脉冲测试电路示意图

 

以下叙述由于公式较多,只能在Office软件完成,故以图片形式展示:

从上述分析中,我们可以将双脉冲测试电路简化为如下形式,

其中,CAK=Cj+CD,RAK为二极管的耗尽层电阻,Rs为二极管的串联电阻。

基于上述分析,二极管从正向导通转为反向截止,其两端的电压将出现一个上升的电压,我们可以看成一个阶跃信号,幅值即VDC减去IGBT的导通压降。这里我们将IGBT看成一个电阻可控的电阻,Rdamp为其和二极管串联电阻的等效电阻

二极管对上述阶跃信号的传递函数可以写成,

由于SiC拥有更高的临界电场,这意味着SiC可以有更宽范围的掺杂范围以减小导通损耗,这将导致SiC二极管的耗尽层宽度较小而耗尽层电容将较大,即CAK较大,同等条件下,阻尼系数将小于Si基,所以SiC二极管将更容易产生输出(电流和电压)振荡。

从阻尼系数,我们可以大致了解下减小振荡加速衰减速度的措施。二极管本身的寄生参数我们基本无法更改,所以

①尽量减小杂散电感,这个好处除了相对于这点,其好处不用多说了;

②增加外围的RC电路,等效于改变二极管的寄生参数;

③控制Rce,这个与IGBT有关,即增加驱动电阻,但是这对于IGBT的开关过程来说是不客观的,但是如果仅在二极管反向恢复的③④阶段控制导体电阻增加,但这对于驱动的复杂度又是一个考验。

其实,不仅是二极管,SiC MOSFET相对来说也是易于产生振荡,但总归是离不开其本身及外部的参数,所以在应用中尽量将能做好地做好,比如杂散,比如驱动参数的选择......

今天的内容希望你们能够喜欢,希望一切安好~~~

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公众号“功率半导体那些事儿”主笔,热衷于功率半导体行业,并且从事相关工作,喜欢关于相关行业的各种信息,知识和应用。珍惜时光,自由在高处。