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碳化硅功率PiN二极管

作者:海飞乐技术 时间:2018-04-19 17:54

  采用传统的硅半导体材料制作的高压PiN整流二极管,只能在低于20kHz和120℃的条件下使用,这就极大地制约了整流二极管在先进电力网(也称电力设备)、能量储备、脉冲电源智能机械和超高电压固态电源中的应用,因为这些应用需要高压、高频和高温二极管来保证系统尺寸达到合理的要求。SIC PIN二极管在这类高压应用中扮演了一个重要的角色,因为它具有高于Si器件2~3个数量级的开关速度、高结温承受能力、高电流密度和更高的功率密度。
 
  SiC材料的特性提高了SiC PIN二极管的性能,其中包括(与Si相比):
  ①击穿电场提高了1个数量级;
  ②三倍高的禁带宽度;
  ③高于硅三倍的热导率。
  高的击穿电场使设计SiC功率器件时可以采用更薄且掺杂浓度更高的阻挡层。更大的禁带宽度使器件拥有更高的工作温度和更好的抗辐射能力。SiC的高热导率(4.9℃/W)能将器件上的热量迅速吸取并散发出去,因此,对于一定的结温,器件可以获得更大的功率。但是,由于SiC的禁带宽度大于Si,使得SiC双极二极管的内建电压比Si器件高三倍。然而,由于导通压降随温度上升而减小,工作在500℃的SIC PIN二极管与工作在室温下的SI PIN二极管相比,压降差减小到一半左右。SiC材料一个非常重要的特性是间接带隙(与GaN相反,GaN是直接带隙),因此使用质量很高的材料制作的双极器件,间接带隙有高的载流子复合寿命。
 
  SiC的宽禁带使PiN二极管在500℃时的结漏电流几乎可以忽略,这将使其允许在高温条件下工作而不产生太大的漏电流或热耗散。如果功率电子系统利用SiC二极管且设计用于工作在高温情况,则此系统的散热设备的尺寸和重量将大幅度减小甚至完全省略。
 
  为了提高能量转换系统的效率并降低成本,进一步减小其体积和质量,就必须减小器件工作时产生的热量。整流器中大部分的热量是在开启时或转换瞬间产生的。与Si器件相同,SiC功率二极管可以被定义为多数载流子二极管(肖特基二极管),而多数载流子二极管的开态导通特性取决于掺杂浓度和多数载流子的迁移率;少数载流子二极管(PiN二极管)则取决于电导调制。肖特基二极管有很高的开关速度,虽然在低电流密度下正向压降很低,但在高电流密度时压降的数量级会迅速增加。因为SiC功率二极管是设计用于高温条件,所以正向压降会呈指数量级增长;电压阻挡层的开态电阻随设计的击穿电压呈指数增长。另外,高电流密度工作时,双极PiN二极管有低的正向压降,但是相对于肖特基二极管有更高的开关损耗。应用工程师经常会遇到选择哪种SiC二极管适合在高温条件下工作(肖特基二极管或PiN二极管)的情况,如果只考虑开启压降,图1显示了理想击穿电压(范围为2~30kV)条件下的电流密度,其中横轴为理想击穿电压,纵轴是电流密度。由于这种限制,PiN二极管可能比肖特基二极管更具吸引力,这是因为PiN二极管有更低的开启电压(VF)。二极管的开关速度在其应用的特殊领域十分重要。如果载流子寿命改变,设计时经常需要在开关电压和开态压降之间进行取舍。二极管的电流密度受商业化封装技术限制,具有上限。传统的功率器件封装技术只能连续耗散250~400W/cm2。由于4H-SiC双极器件的内建电势约为3V,因此最大连续电流也被限制在100~150A/cm2

具有相同导通压降VF的SiC肖特基整流二极管和PiN二极管的电流密度极限 
图1 具有相同导通压降VF的SiC肖特基整流二极管和PiN二极管的电流密度极限



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