碳化硅二極管多為肖特基二極管。第一個(gè)商用 SiC 肖特基二極管是在 10 多年前推出的。從那時(shí)起，這些設(shè)備已被整合到許多電源系統(tǒng)中。二極管升級(jí)為 SiC 功率開關(guān)，例如 JFET、BJT 和 MOSFET。目前可提供擊穿電壓為 600 至 1,700 V、額定電流為 1 至 60 A 的 SiC 開關(guān)。這里的重點(diǎn)是如何有效地測(cè)量 SiC MOSFET。

SiC 二極管
最初，可以使用簡(jiǎn)單的二極管，但隨著技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)升級(jí)的 JFET、MOSFET 和雙極晶體管。SiC 肖特基二極管具有更高的開關(guān)性能、效率、功率密度和更低的系統(tǒng)成本。這些二極管提供零反向恢復(fù)、低正向壓降、電流穩(wěn)定性、高浪涌電壓能力和正溫度系數(shù)。

新二極管面向各種應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員，包括光伏太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車 (EV) 充電器、電源和汽車應(yīng)用。與硅相比，它具有更低的漏電流和更高的摻雜。一個(gè)重要的特性是高溫下的行為：隨著溫度的升高，硅的直接特性會(huì)發(fā)生很大變化。碳化硅是一種非常堅(jiān)固和可靠的材料。然而，在 SiC 的情況下，它仍然局限在小范圍內(nèi)。

讓我們來(lái)看看 SiC 二極管
SiC 二極管原型 待測(cè)試的 SiC 二極管示例是 SCS205KG 模型，它是 Rohm 的 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管（圖 2）。以下是它的一些最重要的功能：

• 電壓：1,200 伏
• 如果：5 A（+150°C 時(shí)）
• 浪涌非重復(fù)正向電流：23 A（PW = 10 ms 正弦波，Tj = 25°C）
• 浪涌非重復(fù)正向電流：17 A（PW = 10 ms 正弦波，Tj = 150°C）
• 浪涌非重復(fù)正向電流：80 A（PW = 10 μs 平方，Tj = 25°C）
• 總功耗：88 W
• 結(jié)溫：175°C
• TO-220AC 封裝

這是一個(gè)非常強(qiáng)大的組件，具有較短的恢復(fù)時(shí)間和高速開關(guān)。其官方 SPICE 模型允許在任何條件下對(duì)組件進(jìn)行仿真。

* SCS205KG
* SiC 肖特基勢(shì)壘二極管型號(hào)
* 1200V 5A
* ROHM 生產(chǎn)的型號(hào)
* 版權(quán)所有
* 日期：2015/11/16
*****************AC
.SUBCKT SCS205KG 1 2
.PARAM T0=25
.FUNC R1(I) {40.48m*I*EXP((TEMP-T0)/155.8)}
.FUNC I1(V) {2.102f*(EXP(V/0.02760/EXP((TEMP) -T0)/405.3))-1)*
+ EXP((TEMP-T0)/7.850*EXP((TEMP-T0)/-601.3))}
.FUNC I2(V) {TANH(V/0.1)*( 710.4p*EXP(-V/198.3)*EXP((TEMP-T0)/54.40)+
+ 26.02f*EXP(-V/63.22/EXP((TEMP-T0)/178.9))*
+ EXP((TEMP -T0)/8.493*EXP((TEMP-T0)/-600)))}
V1 1 3 0
E1 3 4 VALUE={R1(MIN(MAX(I(V1)/0.5,-500k),500k)) }
V2 4 5 0
C1 5 2 0.5p
G1 4 2 值={0.5*(I1(MIN(MAX(V(4,2),-5k),5))+I2(MIN(MAX(V(4,2),-5k),5)) )+
+ I(V2)*(913.9*(MAX(V(4,2),0.5607)-0.5607)+
+ 727.2*(1-360.9*TANH(MIN(V(4,2),0.5607)/360.9) )/1.121)**-0.4987)}
R1 4 2 1T
.ENDS SCS205KG

正向電壓
第一個(gè)測(cè)量操作涉及 SiC 二極管的正向電壓。如圖 3所示，這是測(cè)試的簡(jiǎn)單電路，它的 3D 表示，以及關(guān)于不同工作溫度下正向電壓的組件數(shù)據(jù)表的摘錄。

測(cè)試接線圖包含串聯(lián)的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，其電阻約為 6.7 Ω，其大小允許 5 A 的電流通過(guò)電路。電源電壓設(shè)置為 36 V。為了更好地優(yōu)化耗散和散熱，我們使用了 10 個(gè)并聯(lián)的 67 Ω 電阻器，以模擬單個(gè) 6.7 Ω 電阻器。每個(gè)電阻的功率必須至少為 20 W。肖特基二極管 SCS205KG 的數(shù)據(jù)表確定了在各種工作溫度下組件兩端的以下電壓：

• 如果 = 5 A，Tj = 25°C：1.4 V
• 如果 = 5 A，Tj = 150°C：1.8 V
• 如果 = 5 A，Tj = 175°C：1.9 V

這些特征解釋了二極管兩端的電壓如何高度依賴于其溫度。因此，設(shè)計(jì)人員必須盡量控制這種電壓波動(dòng)，因?yàn)樗鼤?huì)改變最終系統(tǒng)的行為。直流掃描模擬涉及使用 SPICE 指令在 0°C 到 200°C 的溫度范圍內(nèi)測(cè)量功率二極管兩端的電壓：

.DC 溫度 0 200 25

仿真在不同溫度下返回二極管上的以下電壓值，充分證實(shí)了數(shù)據(jù)表提供的指示。彩色單元格包含文檔中報(bào)告的測(cè)試溫度。

表 1：溫度與測(cè)量電壓

如圖 4所示，綠色圖表顯示二極管陽(yáng)極上的 36 V 固定電壓，黃色圖表顯示陰極上的電壓，具體取決于溫度。這種電位差構(gòu)成了“正向電壓”。仍然在同一張圖中，可以觀察到組件上的電位差，這是由于陽(yáng)極和陰極電壓之間的代數(shù)差。該測(cè)試只能執(zhí)行幾秒鐘。

容抗
第二個(gè)測(cè)量操作涉及 SiC 二極管的容抗。讓我們看一下圖 5，其中我們可以看到測(cè)試的簡(jiǎn)單電路及其 3D 表示。

電氣圖包含串聯(lián)連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，電阻非常低，約為 0.1 Ω。還有一個(gè)與二極管并聯(lián)的第二個(gè)電阻。它的價(jià)值非常高。電源電壓是一個(gè)設(shè)置為 1 V 的正弦源。對(duì)于這個(gè)測(cè)試，我們可以執(zhí)行一個(gè) AC 模擬，其中包括在 200 kHz 和 2 MHz 之間的頻率域中測(cè)量功率二極管的容抗，使用SPICE 指令：

.AC lin 1000 0.2Meg 2Meg

仿真（圖 6）在正弦源的不同頻率下返回不同的容抗。

為了測(cè)量二極管的容抗，我們使用以下公式，如圖 7所示。它發(fā)生在頻域的交流電中：

IM(V(n002)/I(R1))

圖 7：計(jì)算二極管容抗的公式

二極管可以用一個(gè)電容器代替，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的和真實(shí)的組件來(lái)執(zhí)行另一個(gè)模擬。

反向電流
第三個(gè)測(cè)量操作涉及 SiC 二極管的反向電流。讓我們看一下圖 8，它顯示了測(cè)試的簡(jiǎn)單電路、其 3D 表示，以及涉及不同溫度下的反向電流的組件數(shù)據(jù)表的摘錄。

電氣圖包含串聯(lián)連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，電阻非常低，約為 0.1 Ω。電源電壓是設(shè)置為 1,200 V 的正弦源。二極管以反向模式連接。對(duì)于此測(cè)試，可以執(zhí)行直流仿真（掃描），其中包括使用 SPICE 指令測(cè)量在 20°C 和 200°C 之間的溫度范圍內(nèi)流經(jīng)二極管的反向電流：

.DC 溫度 20 200 1

圖 9顯示了一個(gè)圖表，根據(jù)溫度，二極管上的反向電流很小。

圖 10（V 與 I）顯示了在 25°C 的固定溫度下，與施加到二極管的電壓相關(guān)的反向電流曲線圖，介于 0 V 和 1,200 V 之間。

結(jié)論
SiC 二極管的特點(diǎn)是恢復(fù)時(shí)間非?？?。這允許更高的開關(guān)速度和更小尺寸的磁性元件和其他無(wú)源元件。最終設(shè)備可以具有更高的功率密度。它們還為電源開關(guān)應(yīng)用在效率和熱性能方面提供了顯著優(yōu)勢(shì)。這些組件可以在更高的溫度下運(yùn)行。溫度是改變電子元件工作條件的重要因素。執(zhí)行真實(shí)測(cè)試（使用真實(shí)的 SiC 組件）和仿真以評(píng)估仿真器，尤其是 SPICE 模型的功效和實(shí)用性可能會(huì)很有趣。

審核編輯：湯梓紅