引 言

IGBT分立器件一般由IGBT和續(xù)流二極管(FWD)構(gòu)成，續(xù)流二極管按材料可分為硅材料和碳化硅材料，按照器件結(jié)構(gòu)可分為PIN二極管和肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)。材料與結(jié)構(gòu)兩兩組合就形成了4種結(jié)果：硅PIN二極管、碳化硅 PIN二極管、硅肖特基二極管、碳化硅肖特基二極管。在本篇文章中我們將重點(diǎn)闡述碳化硅肖特基二極管作為續(xù)流二極管的混合碳化硅分立器件(后文簡(jiǎn)稱為混管)的特性與優(yōu)點(diǎn)。

目前市面上主流的IGBT產(chǎn)品其續(xù)流二極管為快恢復(fù)二極管(FRD)，是上文提到的硅PIN二極管的一種，因此混管使用的碳化硅SBD與硅FRD在材料和結(jié)構(gòu)上都有所不同，在此分別對(duì)其進(jìn)行比較。在相同的結(jié)構(gòu)中，碳化硅材料的耐壓特性表現(xiàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于硅材料;相同的材料下，快恢復(fù)二極管FRD可以比肖特基勢(shì)壘二極管SBD承受更高的電壓。因此在耐壓特性表現(xiàn)上可以得出碳化硅FRD>碳化硅SBD>硅FRD>硅SBD，而由于碳化硅SBD的耐壓能力可以輕松達(dá)到1200V以上，基本可以滿足大部分市場(chǎng)需求，所以碳化硅FRD并不常見(jiàn)。下圖為相同IGBT分別搭配硅FRD與碳化硅SBD的雙脈沖測(cè)試示意圖，以及在不同電壓下的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中的器件損耗數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖1 雙脈沖測(cè)試示意圖

圖2 VDC=600V，Tj=25℃ 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

圖3 VDC=800V，Tj=25℃ 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，相同的電壓等級(jí)下，混管的關(guān)斷損耗與傳統(tǒng)IGBT相差不大，但開(kāi)通損耗要比傳統(tǒng)IGBT小30%~40%。同時(shí)當(dāng)VDC從600V 增加到800V時(shí)，傳統(tǒng)IGBT的總損耗增大了50%，而混管的總損耗只增大了25%。

混管的SBD內(nèi)部結(jié)構(gòu)中載流子多子為電子，硅FRD內(nèi)部結(jié)構(gòu)中載流子為電子和空穴，因此相比于硅FRD，碳化硅SBD的關(guān)斷速度更快，且?guī)缀鯖](méi)有反向恢復(fù)與正向恢復(fù)現(xiàn)象。而評(píng)估硅FRD的關(guān)鍵參數(shù)就是反向恢復(fù)電荷Qrr和反向恢復(fù)時(shí)間Trr。Qrr越大，Trr越大，產(chǎn)生的損耗也就越大，硅FRD的Qrr和Trr都會(huì)隨著溫度升高而增大，也意味著反向恢復(fù)行為變差。下圖是高結(jié)溫下的混管與傳統(tǒng)IGBT在開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中的器件損耗數(shù)據(jù)情況。

圖4 VDC=800V，Tj=100℃ 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)

將高溫下數(shù)據(jù)與前文常溫下數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，當(dāng)產(chǎn)品的工作溫度上升，不論是硅FRD還是碳化硅SBD都會(huì)有開(kāi)關(guān)損耗上升的現(xiàn)象。但分開(kāi)看開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗時(shí)，兩種產(chǎn)品的關(guān)斷損耗隨溫度上升增加的幅度是接近的，而開(kāi)通損耗隨溫度變化的差異卻十分明顯，混管的增加幅度不到10%，傳統(tǒng)IGBT的開(kāi)通損耗隨溫度上升增加了35%左右。

綜上所述，在強(qiáng)調(diào)低開(kāi)關(guān)損耗、高結(jié)溫的場(chǎng)合下，混管比傳統(tǒng)IGBT有著更出色的表現(xiàn)。因此，當(dāng)您在進(jìn)行相關(guān)方案設(shè)計(jì)時(shí)，為進(jìn)一步減小器件的開(kāi)關(guān)損耗，建議選擇基本半導(dǎo)體混合碳化硅分立器件，產(chǎn)品列表如下：

審核編輯：湯梓紅