碳化硅二极管和硅二极管静态性能比较

  本文将在相同额定电压、电流条件下，对一些商业化SiC功率二极管和SI功率二极管的静态性能进行比较。选择的碳化硅二极管包括Infineon公司的SDT10S30(300V、10A)、SDT06S60(600V、6A) 和 Cree公司的 CSD20060 (600V、10A).、CSD1020 (1200V.、5A)。选择的硅器件是市场上性能最好的快速恢复二极管IXYS公司的DSEP8-03(300V、10A)和DSEP30-12A(1200V、30A)。
  图1给出了不同温度条件下，Infineon的SDT10S30和IXYS的DSEP8-03的正向I-V特性曲线。两个器件的额定值都是300V、10A，并分别在25℃、100℃、200℃和10A时进行测量。300V的Si肖特基二极管由于比导通电阻太大没有商业化，所以采用IXYS的PIN器件。

 

  室温时，碳化硅器件的正向压降约为1.5V，硅器件为1.1V。图1(a)可以清楚地看出两个器件的差别。DSEP8-03作为双极器件，由于有高剂量的少数载流子注入到外延区，随着温度升高正向压降降低。另外，当电流低于5A时，SIC肖特基二极管温度系数为负，高于5A时，温度系数为正。正向压降随温度系数的变化机理已经进行了讨论，可以看出与分析结果一致。
  硅器件在所有的工作电流和温度范围内都具有低的开态压降。低的压降可以减小功率损耗，对电路应用有利。然而，Si功率二极管有负的正向压降温度系数，这在并联且处理大电流器件时不利。研究表明，当器件并联时，负温度系数将导致器件上的电流分配不均匀。当这种不均衡达到一定数量级时，整个系统会发生热失配。但是，碳化硅器件在电流达到额定值的50%时，具有正的正向压降温度系数，所以在并联应用时系统比较稳定。
  图1(b)中对CSD1020(Cree的1200V、5A的碳化硅二极管)和DSEP30-12A(IXYS的1200V、30A的硅二极管)进行了类似的比较，获得了正向I-V矿特性曲线。正向压降温度系数也表现出与前述相同的趋势，Si双极器件为负温度系数，碳化硅二极管在不同的电流水平时表现出不同的极性(负温度系数和正温度系数)。
  需要指出的是，与碳化硅器件相比，硅器件的额定电流较高，室温下达到额定电流(30A)时的正向压降略大。还可以看出，与300V的碳化硅器件相比，很低的电流条件下，碳化硅器件的正向压降温度系数可以变为正值。这可以解释为：对于300V和1200V的碳化硅器件，当膝点电压保持相同时，对于高额定电压的器件，由于需要较厚、轻掺杂的漂移区获得所需的阻断电压，所以漂移区电阻对个器件起主要作用，相应正向压降时的电阻温度系数也起主要作用。由于膝点电压随温度升高而减小，漂移层电阻随温度升高而增加，所以1200V的碳化硅二极管的正向压降温度系数比300V的碳化硅二极管高。
  高温条件下，增加的正向压降对器件并联有益，但会增加二极管的导通损耗。因此碳化硅二极管的总体导通损耗比硅器件高。
  二极管另一个重要的静态参数是反向阻断特性。图2分别绘出了300V和1200V器件在不同温度下的反向阻断I-V特性曲线。  
  SIC SBD反向阻断特性的反向漏电流大部分都在亚μA量级。对300V和1200V器件进行比较可以看出，SIC SBD在电压接近或超过额定电压时，漏电流很小。实际应用中，器件通常不会工作在这样大的电压下。从图2中还可以看出，在200℃温度条件下，Si PIN二极管的反向漏电流比相应的碳化硅器件高几个数量级。过高的反向漏电流使硅器件不能在高温下可靠工作。
  比较不同制造厂商制造的具有相同额定电压、电流的SIC SBD的正向和反向I-V曲线，可以看出其差别不大。这些微小的差别在于不同的制造商采用了不同的工艺和特征尺寸。



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