Oscillation of SiC SBD 碳化硅肖特基二極管的震蕩

2021年，疫情持續(xù)的一年，平凡而又不平靜的一年，有喜有悲，有期待的有祈禱的。就這樣在今年寥寥的幾篇更新的我，只想幾天過后的來年能夠發(fā)生更多“令人滿意”的喜悅......

希望大家能夠多點時間照顧好自己，多點時間照顧好父母，多點時間將愛情、親情、友情放在日程上，因為不知道哪一天它就不會再給我們機會了。

好了，希望一切都好。讓我們開始今天的話題，寬禁帶半導(dǎo)體(這里主要就SiC展開)中普遍易于硅基的振蕩。

寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢這里就不再贅述了，日趨成熟，大勢所趨。相對于硅基功率器件，在SiC器件在擊穿場強、飽和漂移 速度和熱導(dǎo)率等方面優(yōu)勢的背后，驅(qū)動、封裝等也有很多需要配合改進的地方，當(dāng)然這也是SiC普及受限的一部分因素。今天我們聊的是SiC器件在其工作中出現(xiàn)的一種振蕩現(xiàn)象，也是最近工作中遇到的一個問題，希望能夠分享給你們。

出現(xiàn)在混合SiC器件中的振蕩

隨著傳統(tǒng)Si基IGBT的局限性，SiC器件厚積薄發(fā)，但迫于其并未如硅基器件那樣的受寵多年，所以其在成本上還是有些許高，但未來必定會受寵萬千。所以目前流行的是混合器件，即Si-IGBT+SiC-SBD,滿足目前對于器件性價比的需求。

最近在一款混合SiC模塊中發(fā)現(xiàn)了一種振蕩，而這種振蕩只存在于與SiC-SBD有關(guān)聯(lián)的回路中，主要發(fā)生在二極管關(guān)斷的過程，同時其關(guān)斷時的反向恢復(fù)電流會疊加到對應(yīng)的IGBT上，所以一般會附帶IGBT的部分參數(shù)出現(xiàn)關(guān)聯(lián)振蕩。(這里就不插入波形了，你們?nèi)绻龅疥P(guān)于SiC-SBD的振蕩時可以嘗試從下面分析角度出發(fā)進行展開)

重溫二極管的關(guān)斷過程

前面我們聊過續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過程，今天我們再重新溫顧下，振蕩與此相關(guān)。

上圖是二極管反向恢復(fù)的電壓電流波形變化過程，我們可以將其分為5個階段：

①從t0時二極管被加上反向電壓，電流開始以di/dt的速率下降，到t1時，電流降到0；

②從t1開始，二極管的電流由正轉(zhuǎn)負(fù)，當(dāng)?shù)絫2時，二極管pn結(jié)的過剩載流子濃度降為0，此階段結(jié)束；

③從該階段開始，二極管開始建立反向電壓，此時耗盡區(qū)通過進一步抽取漂移區(qū)存儲的電荷向外擴展，二極管兩端的電壓以dv/dt的速率增加，當(dāng)?shù)絫3時，二極管兩端的電壓達到反向電壓VDC，同時電流下降速率di/dt減小為0，反向恢復(fù)電流達到最大值Ipr；

④該階段開始，反向恢復(fù)電流從剛剛的Ipr開始以diR/dt的速率減小，而電壓仍在增加，直到t4時，二極管反向電壓達到最大值Vpr；

⑤最后一個階段。電壓開始下降，直到穩(wěn)定在VDC。

細(xì)品二極管的反向恢復(fù)過程

基于雙脈沖測試（前期驗證器件性能的最直觀簡單的接地氣方式）過程，我們結(jié)合內(nèi)外圍參數(shù)來聊聊二極管的反向恢復(fù)過程。

雙脈沖測試電路示意圖

以下敘述由于公式較多，只能在Office軟件完成，故以圖片形式展示：

從上述分析中，我們可以將雙脈沖測試電路簡化為如下形式，

其中，CAK=Cj+CD，RAK為二極管的耗盡層電阻，Rs為二極管的串聯(lián)電阻。

基于上述分析，二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止，其兩端的電壓將出現(xiàn)一個上升的電壓，我們可以看成一個階躍信號，幅值即VDC減去IGBT的導(dǎo)通壓降。這里我們將IGBT看成一個電阻可控的電阻，Rdamp為其和二極管串聯(lián)電阻的等效電阻。

二極管對上述階躍信號的傳遞函數(shù)可以寫成，

由于SiC擁有更高的臨界電場，這意味著SiC可以有更寬范圍的摻雜范圍以減小導(dǎo)通損耗，這將導(dǎo)致SiC二極管的耗盡層寬度較小而耗盡層電容將較大，即CAK較大，同等條件下，阻尼系數(shù)將小于Si基，所以SiC二極管將更容易產(chǎn)生輸出（電流和電壓）振蕩。

從阻尼系數(shù)，我們可以大致了解下減小振蕩加速衰減速度的措施。二極管本身的寄生參數(shù)我們基本無法更改，所以

①盡量減小雜散電感，這個好處除了相對于這點，其好處不用多說了；

②增加外圍的RC電路，等效于改變二極管的寄生參數(shù)；

③控制Rce，這個與IGBT有關(guān)，即增加驅(qū)動電阻，但是這對于IGBT的開關(guān)過程來說是不客觀的，但是如果僅在二極管反向恢復(fù)的③④階段控制導(dǎo)體電阻增加，但這對于驅(qū)動的復(fù)雜度又是一個考驗。

其實，不僅是二極管，SiC MOSFET相對來說也是易于產(chǎn)生振蕩，但總歸是離不開其本身及外部的參數(shù)，所以在應(yīng)用中盡量將能做好地做好，比如雜散，比如驅(qū)動參數(shù)的選擇......

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡，希望一切安好~~~