趙 斌，秦海鴻，馬策宇，袁 源，鐘志遠(yuǎn)

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天大學(xué))，江蘇南京210016)

1 引言

電力電子器件是電力電子裝置的重要基礎(chǔ)，器件的性能對整個(gè)裝置的技術(shù)指標(biāo)和性能有著重要的影響［1］。Si功率器件經(jīng)過五十多年的長足發(fā)展，其性能已趨近其理論極限，難以再大幅度提升。近年來，以碳化硅(Silicon Carbide，SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)迅速發(fā)展，與Si相比，SiC半導(dǎo)體具有禁帶寬度高、臨界電場擊穿強(qiáng)度高和熱導(dǎo)率高等特征，基于SiC的電力電子器件阻斷電壓高、通態(tài)電阻低、開關(guān)損耗小且耐高溫工作，能大幅降低裝置的功耗、縮小裝置的體積。特別是在高頻、高溫和大功率電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，SiC電力電子器件具有Si半導(dǎo)體器件難以比擬的巨大應(yīng)用優(yōu)勢和潛力［2］。

目前，SiC肖特基二極管(Schottky Barrier Diode，SBD)、SiC JFET 和 SiC MOSFET 都已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。由于半導(dǎo)體材料性能不同，SiC功率器件與Si功率器件的電氣特性存在一些差異［2-6］。為保證正確使用SiC功率器件并能夠充分發(fā)揮其特性優(yōu)勢，使得基于SiC功率器件的變換器系統(tǒng)能夠獲得更優(yōu)的性能，需要對SiC功率器件的開關(guān)特性和參數(shù)，尤其是開關(guān)特性進(jìn)行深入分析和研究［5-7］。

本文主要以CREE公司的SiC SBD和SiC MOSFET為例，分析和探究SiC SBD和SiC MOSFET的開關(guān)特性與應(yīng)用優(yōu)勢。本文重點(diǎn)分析其與Si器件的開關(guān)特性差異，并設(shè)計(jì)制作了Buck變換器樣機(jī)作為實(shí)驗(yàn)測試平臺，驗(yàn)證SiC器件的特性與應(yīng)用優(yōu)勢，從而為SiC功率器件的優(yōu)化選擇和應(yīng)用提供依據(jù)。

2 SiC SBD開關(guān)特性分析

功率二極管的開關(guān)特性一般包括正向恢復(fù)特性和反向恢復(fù)特性，以下對SiC SBD分別予以分析。

2.1 正向恢復(fù)特性

功率二極管開通電壓過沖的形成主要與兩個(gè)因素有關(guān):電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)和內(nèi)部寄生電感效應(yīng)。SiC SBD由于不存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因此只受寄生電感的影響，通過工藝改進(jìn)能夠基本實(shí)現(xiàn)SiC SBD的零正向恢復(fù)電壓。

2.2 反向恢復(fù)特性

功率二極管的反向恢復(fù)特性是二極管選型的重要指標(biāo)之一，主要受電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)和寄生電容效應(yīng)影響。Si快恢復(fù)二極管存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，反向恢復(fù)時(shí)間長，反向恢復(fù)電流尖峰大，在線路中的雜散電感上感應(yīng)出很大的電壓尖峰，增加了功率器件的電壓應(yīng)力。SiC SBD沒有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，反向恢復(fù)主要受電路中寄生電容的影響，因而反向電流尖峰小、開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小。

圖1給出了相同功率等級(1200V/25A)的SiC SBD和Si PiN快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)曲線對比［8］，圖中SiC SBD的反向恢復(fù)電流尖峰明顯小于Si PiN快恢復(fù)二極管，反向恢復(fù)損耗顯著降低。此外，SiC SBD的反向恢復(fù)特性幾乎不隨溫度變化，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。而Si快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間均隨溫度的增加而惡化，工作溫度增加時(shí)器件更容易失效。

圖1 SiC SBD與Si快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)對比Fig.1 SiC versus Si reverse recovery comparison

3 SiC MOSEFT開關(guān)特性分析

功率MOSFET的開關(guān)特性一般包括開通特性和關(guān)斷特性，但對SiC MOSFET而言，由于開關(guān)速度快，開關(guān)動作對柵極驅(qū)動有較大影響，因而，本文也把驅(qū)動特性作為開關(guān)特性的外延進(jìn)行分析。

3.1 開關(guān)特性

SiC MOSFET的開關(guān)特性主要與極間非線性寄生電容有關(guān)，表1給出了相近功率等級(1200V/10A)的 SiC MOSFET與 Si MOSFET的輸入電容Ciss、輸出電容 Coss和密勒電容 Crss容值［9，10］。這些寄生電容參數(shù)對功率MOSFET開關(guān)動作瞬態(tài)過程具有明顯的影響。

表1 MOSFET寄生電容比較Tab.1 Parasitic capacitors of MOSFETs comparison

由表1可見，SiC MOSFET的各個(gè)極間寄生電容容值都遠(yuǎn)小于相近功率等級的Si MOSFET。根據(jù)MOSFET的開關(guān)過程可知，寄生電容值越小，MOSFET的開關(guān)速度可以越快，開關(guān)轉(zhuǎn)換過程的時(shí)間越短，從而減小開關(guān)過程中漏極電流與漏源極電壓的過渡交截區(qū)域，即減小了MOSFET的開關(guān)損耗。表2給出了MOSFET數(shù)據(jù)手冊中典型開關(guān)時(shí)間的對比，表中CMF10120D的測試條件為柵源極電壓VGS=－2/20V，柵極電阻RG=6.8Ω，漏源極電壓VDD=800V，漏極電流ID=10A;IXTH12N120的測試條件為 VGS=0/10V，RG=1.5Ω，VDD=600V，ID=6A［9，10］。可見，SiC MOSFET 在漏源極電壓更高、漏極電流更大、柵極電阻更大的條件下仍能表現(xiàn)出與Si MOSFET相當(dāng)?shù)拈_關(guān)速度。

表2 MOSFET典型開關(guān)時(shí)間比較Tab.2 Typical switching time of MOSFETs comparison

3.2 驅(qū)動特性

柵極驅(qū)動電路的性能對MOSFET的開關(guān)過程起著關(guān)鍵性的作用。在SiC MOSFET的快速開關(guān)應(yīng)用中，尤其需要慎重考慮驅(qū)動電路中存在的問題。

從減小導(dǎo)通電阻的角度出發(fā)，SiC MOSFET的驅(qū)動電壓值設(shè)置得較高比較有利。但因SiC MOSFET開關(guān)動作快，漏極電流變化率大，漏源極電壓變化率大，通過電路中柵漏極寄生電感、密勒電容耦合至柵極，經(jīng)柵極電阻連接至源極形成回路。柵極電阻兩端將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，在SiC MOSFET開通過程中可能導(dǎo)致柵極擊穿，因此正向驅(qū)動電壓值要有所限制。在關(guān)斷過程中，由于SiC MOSFET的開啟電壓較低，柵極電壓尖峰可能引起誤導(dǎo)通，要設(shè)置驅(qū)動負(fù)偏壓，增強(qiáng)柵極抗干擾能力。

控制這種耦合最直接的方法即減小電路中寄生參數(shù)和合理選擇外部柵極驅(qū)動電阻值。表1指出SiC MOSFET的密勒電容Crss非常小，這在一定程度上彌補(bǔ)了其開啟電壓低容易誤導(dǎo)通的不足。在高頻場合，SiC MOSFET關(guān)斷時(shí)漏源極電壓變化率dvDS/dt很大，在密勒電容上會感應(yīng)一個(gè)柵漏極電流IGD并流過柵極電阻RG，其中RG是柵極的等效驅(qū)動電阻之和。此時(shí)柵極的感應(yīng)電壓VGS為:

若VGS與柵極關(guān)斷電壓之和大于柵極開啟電壓，則SiC MOSFET發(fā)生誤導(dǎo)通。SiC MOSFET的開啟電壓低，更容易被觸發(fā)誤導(dǎo)通。但SiC MOSFET的密勒電容CGD遠(yuǎn)小于Si MOSFET(見表1)，由式(1)可知，相同漏極電壓變化率引起的柵極感應(yīng)電壓要小得多，誤導(dǎo)通的可能性也就大幅降低。

因SiC MOSFET柵極驅(qū)動電壓極限要求為－5V/+25V，通常設(shè)置在－2V/+20V，且必須精心設(shè)計(jì)功率回路與驅(qū)動回路，減小寄生參數(shù)，才能確保不出現(xiàn)柵極電壓尖峰和誤導(dǎo)通的發(fā)生。Si MOSFET的常用驅(qū)動電壓為0V/+15V。柵極電壓擺幅Vgpp的平方與柵極輸入電容Ciss的乘積能夠反映柵極驅(qū)動損耗的大小，其計(jì)算結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明SiC MOSFET的柵極驅(qū)動電壓擺幅雖然更大，但由于輸入電容要小得多，柵極的驅(qū)動損耗較Si MOSFET仍有所減小。

表3 柵極充電能量對比Tab.3 Gate charge energy comparison

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對SiC MOSFET和SiC SBD的開關(guān)特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)制作了如圖2所示Buck變換器實(shí)驗(yàn)電路平臺，額定輸入電壓Vin=270VDC，額定輸出電壓Vo=100VDC，額定輸出功率Po=500W和開關(guān)頻率fs=100kHz/400kHz。

圖2 Buck實(shí)驗(yàn)測試電路Fig.2 Test circuit of Buck converter

用于對比的MOSFET分別為Si MOSFET(Fairchild公司的 FQA11N90，900V/11A@25℃)和 SiC MOSFET(CREE公司的 CMF10120D，1.2kV/24A@25℃);用于對比的續(xù)流二極管分別為Si快恢復(fù)二極管(FAIRCHILD公司的 MUR1560，600V/15A，trr＜55ns)和 SiC SBD(CREE公司的 C3D10060，600V/10A)。

4.1 SiC SBD開關(guān)特性測試

圖3給出了滿載時(shí)輸入電壓Vin=270V，fs=100kHz時(shí)的工作波形，圖中VGS為柵源極電壓;VDS為漏源極電壓;IL為電感電流。圖3(a)和圖3(b)分別為采用Si快恢復(fù)二極管和SiC SBD作為續(xù)流二極管時(shí)的工作波形。圖3(a)和圖3(b)中，MOSFET的柵源極電壓尖峰的最大值分別為23.2V和19.2V，而額定的柵源極電壓為16V。可見，相對于Si快恢復(fù)二極管，采用SiC SBD作為續(xù)流二極管時(shí)柵源極電壓尖峰減小了17%，且漏源極電壓和電感電流波形中的尖峰也有所減小。這是由于采用SiC SBD續(xù)流二極管能夠減小反向恢復(fù)電流，降低了開關(guān)管Q的開通電流變化率。如上文所述，該電流變化率通過寄生電感耦合產(chǎn)生的柵極尖峰電壓也隨之減小。

圖3 SiC SBD與Si快恢復(fù)二極管和續(xù)流二極管工作波形對比Fig.3 SiC versus Si freewheel diode comparison

圖4進(jìn)一步給出了fs=400kHz，負(fù)載電流Iload=0.3A時(shí)不同續(xù)流二極管的電流波形，圖4中VAK為二極管兩端電壓?？梢姡琒i快恢復(fù)二極管作為續(xù)流二極管時(shí)的反向恢復(fù)電流尖峰最大值達(dá)到了2.48A，而使用SiC SBD作為續(xù)流二極管時(shí)的反向恢復(fù)電流尖峰最大值僅有1.28A，減小了近50%，大幅降低了系統(tǒng)的器件應(yīng)力。但也需要注意，實(shí)際應(yīng)用中SiC SBD并不如理論分析的完全沒有反向恢復(fù)電流，圖4(b)中仍存在一定的反向電流尖峰，其產(chǎn)生原因和Si快恢復(fù)二極管主要由電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引起不同，而是因?yàn)槎O管本身和電路中存在一定的寄生電容，在二極管關(guān)斷時(shí)寄生電容充放電從而引起電流尖峰。

圖4 不同續(xù)流二極管的電流波形對比Fig.4 SiC versus Si current waveforms comparison

保持變換器的輸出功率Po=500W，裝設(shè)風(fēng)扇進(jìn)行輔助散熱，采用Fluke公司Ti32系列紅外熱像儀對分別采用Si快恢復(fù)二極管和SiC SBD作為續(xù)流二極管的Buck變換器工作溫度進(jìn)行測量，變換器中最高溫度(開關(guān)管附近的散熱器)與工作時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示。從測量結(jié)果可以看出，采用SiC SBD作為續(xù)流二極管可以使變換器的溫升降低2～3℃，而變換器的溫升與損耗具有正對應(yīng)關(guān)系，即采用SiC SBD作為續(xù)流二極管能夠減小開關(guān)管的損耗，提高變換器的效率。Si快恢復(fù)二極管和 SiC SBD的導(dǎo)通壓降均為1.5V，且電流較小，導(dǎo)通損耗近似相等。因而損耗的減小可以認(rèn)為是采用SiC SBD大幅減小了續(xù)流二極管的反向恢復(fù)損耗，同時(shí)由于電流尖峰的減小，MOSFET的開通損耗也會有一定程度的降低。溫升的降低也可以轉(zhuǎn)化為功率密度的提高，針對SiC功率器件進(jìn)行散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)將在后續(xù)研究工作中進(jìn)行。

4.2 SiC MOSFET開關(guān)特性測試

圖5 Si PiN和SiC SBD的Buck變換器最高溫度曲線Fig.5 Si versus SiC Buck maximum temperature comparison

圖6 給出了 fs=400kHz，RG=6.8Ω，SiC MOSFET與Si MOSFET的開通瞬時(shí)波形。與Si MOSFET相比，SiC MOSFET開通關(guān)斷時(shí)，VGS沒有非常明顯的密勒平臺。這是由于SiC MOSFET的短溝道效應(yīng)和低跨導(dǎo)造成的。圖6顯示，在漏極電壓下降過程中，柵極驅(qū)動電壓波形隨之出現(xiàn)振蕩，圖6(b)中Si MOSFET的柵極電壓最大達(dá)到了近40V，超過了MOSFET的柵極極限電壓，無法長時(shí)間可靠工作，而圖6(a)中SiC MOSFET的柵極電壓最大值僅為20V，避免了柵極擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)上文分析，這是漏極電壓變化時(shí)通過密勒電容對柵極電壓的耦合干擾。MOSEFT開始導(dǎo)通后，漏源電壓下降，密勒電容Crss開始從柵極抽流放電，根據(jù)式(1)，漏極電壓變化率越大，產(chǎn)生的耦合電流IGD越大，若柵極瞬時(shí)驅(qū)動電流不足以提供足夠的抽流電流，則柵極電容CGS開始放電，柵極電壓下降。同時(shí)，由于電路中不可避免的寄生電感的存在，且開關(guān)頻率較高，與柵極電容諧振作用產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩和尖峰，甚至出現(xiàn)負(fù)向電壓。SiC MOSFET的密勒電容容值較小，因此在導(dǎo)通過程中產(chǎn)生的耦合電流IGD遠(yuǎn)小于Si MOSFET，柵極電壓振蕩較小，如圖6(a)所示。

圖6 不同MOSFET工作波形對比Fig.6 Different MOSFET switching waveforms comparison

圖7給出不同開關(guān)頻率下SiC MOSFET的開關(guān)波形，可見開關(guān)頻率的提高會帶來驅(qū)動電壓波形和漏源電壓波形的上升沿和下降沿產(chǎn)生畸變。這是由于SiC MOSFET的柵源極電容CGS較小(數(shù)百pF)，雖然漏極的電壓、電流變化通過柵漏極間寄生電感和電容的耦合作用減弱(密勒電容很小)，但在柵極仍很容易引起雜散電感和柵源極電容的振蕩。開關(guān)頻率提高后，漏極電壓、電流變化率增大，柵極的振蕩進(jìn)一步惡化，而SiC MOSFET的柵極極限電壓相對較低(－5V/+25V)，存在柵極擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。即SiC MOSFET高頻化的重要問題是功率電路和驅(qū)動電路的寄生參數(shù)對器件的安全工作影響變得尤為劇烈，要實(shí)現(xiàn)與低頻下同樣的工作可靠性，就需要盡可能減小這些寄生參數(shù)。

圖7 不同頻率SiC MOSFET工作波形對比Fig.7 Different frequency SiC MOSFET waveforms comparison

5 結(jié)論

本文研究了SiC SBD和SiC MOSFET的開關(guān)特性，對比分析了SiC功率器件與Si功率器件的開關(guān)特性，并設(shè)計(jì)制作了Buck變換器測試電路平臺，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，與Si快恢復(fù)二極管相比，SiC SBD的反向恢復(fù)電流減小了17%，大幅降低損耗，改善電路性能。但SiC SBD實(shí)際應(yīng)用中由于寄生電容作用，仍存在一定的反向電流尖峰。高頻工作時(shí)，MOSFET漏極電壓的變化會通過密勒電容對柵極產(chǎn)生耦合干擾，而SiC MOSFET的密勒電容遠(yuǎn)小于相同功率等級的Si MOSFET，提高了抗干擾能力。但SiC MOSFET的柵極極限電壓較窄，進(jìn)一步提高SiC MOSFET的開關(guān)頻率要求盡可能減小功率電路和驅(qū)動電路的寄生參數(shù)。

［1］錢照明，盛況(Qian Zhaoming，Sheng Kuang).大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展與展望 (Development and perspective of high power semiconductor device)［J］.大功率變流技術(shù) (Converter Technology＆Electric Traction)，2010，(1):1-9.

［2］陳治明，李守智 (Chen Zhiming，Li Shouzhi).寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件及其應(yīng)用 (Wide band gap semiconductor power electronic devices and their applications)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社 (Beijing:China Machine Press)，2009.

［3］Agarwal A K.An overview of SiC power devices［A］.ICPCES 2010［C］.2010.1-4.

［4］Agarwal A，Callanan R，Das M，et al.Advanced HF SiC MOS devices［A］.Power Electronics and Applications，13th European Conference 2009［C］.2009.1，8-10.

［5］Jiang Dong，Burgos R，Wang Fei，et al.Temperaturedependent characteristics of SiC devices:performance evaluation and loss calculation［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(2):1013-1024.

［6］Glaser J S，Nasadoski J J，Losee P A，et al.Direct comparison of silicon and silicon carbide power transistors in high-frequency hard-switched applications［A］.APEC 2011 ［C］.2011.1049-1056.

［7］Alatise O，Parker-Allotey N A，Mawby P.The dynamic performance of SiC Schottky barrier diodes with parasitic inductances over a wide temperature range［A］.PEMD 2012［C］.2012.1-6.

［8］Friedrichs P.SiC power devices for industrial applications［A］.IPEC 2010［C］.2010.3241-3248.

［9］http://www.cree.com/.

［10］http://www.ixys.com/.