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是否需要额外反并联SiC SBD?

2022/08/17
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目前第三代宽禁带半导体越发火热,最近的所见所闻也都几乎与此相关,不断的涌现新的产品,新的封装。从一开始的全Si基模块,到结合SiC SBD的混合模块,再到全SiC模块。以SiC SBD代替Si基二极管的混合模块,在损耗和动态特性上寻求优化提升,这一点很是合理,因为IGBT不具备反向导通特性,SiC SBD在必要的基础上确实能够改善整体模块的性能。那全SiC模块的是否需要在已有的体二极管(Body Diode)上再额外地反并联SiC SBD呢?为此也是查找了些许资料,今天我们就来聊一聊这个话题。

NO.1概述

早些年,SiC MOSFET首次商业化的时候,由于担心双极退化,通常会避免使用体二极管,随着技术和工艺的日益发展,从目前来看,某些厂商的SiC MOSFET的体二极管的性能通过的相应的测试和实际应用,但并不都是如此。所以,目前我们看到的全SiC MOSFET模块同时出现了两种版本,分别是带和不带反并联SiC SBD。

我们都知道,体二极管是pn结二极管,是双极性器件,即工作过程电子和空穴同时参与,必然会伴随着反向恢复损耗。而SiC SBD属于单极性器件,不存在反向恢复,所以损耗相对较小,但是快速恢复会相应地引起较大的过电压应力。

但万事都不是绝对的,在各行各业竞争如此激烈的情况下,一切因素都会被考虑在内,一切以实际效果出发成为目前选择产品的前提。反并SiC SBD虽说从性能优化,但其占据了模块内布局的某部分空间,间接压缩了MOSFET的大小,从而在某些应用中会出现效率最大化和成本最优化的抉择。所以,不同场景会导致不同的情况,必须结合实际应用,分析两者的开关行为和整体损耗。

NO.2性能对比

从早期的直接应用,到现在的提前测试分析,我们在使用功率器件的时候越来越专业和熟练,也导致了在结合不同产品系统设计的时候会遇到不同的测试问题,让我们“悲喜交加”(玩笑话)。在使用前充分的利用双脉冲测试来较为直观地评估所选器件是专业和有效的,所以双脉冲测试成为目前不可避免的前期环节,也是评估损耗,过电压等等较多因素的有效手段。

下面,是从一篇国外文献摘录的关于带与不带反并联SiC SBD模块性能对比。

01测试设备

双脉冲测试平台,分别使用SiC MOSFET配置相同,一个使用体二极管(HT-3201-ND),一个配置反并联SiC SBD(HT-3201),双脉冲测试过程这里就不再赘述了。

测试母线电压分别在400V、600V和800V(下面以800V为例);电流从50A到500A,每次增加50A;温度从25℃到175℃,每次增加50℃;同时使用不同的驱动电阻Rg:1Ω、2Ω和5Ω。

02通态曲线

对体二极管和SiC SBD的第三现象通态进行表征,可以发现SBD是正温度系数,体二极管为负温度系数,在150℃时,在400A时体二极管开始导通。随着温度的升高,这个点开始前移。表明,如果在反并SBD的情况下,大部分电流会流过SBD。

03Err vs. Current曲线(Rg=1Ω)

我们可以看出在高温下的体二极管反向恢复较大。在室温下,电流低于300A时,不带SBD的模块提供了比带SBD模块更低的开关损耗,这是因为SiC SBD较大的结电容造成的,当电流上升后,体二极管的反向恢复损耗更大。

这表明,在低温小电流时不带SBD可以降低开关损耗,但高温下的反向恢复损耗将很大。

04Err vs. Current曲线(Rg=5Ω)

可以看到,相对于上面驱动电阻为1Ω,反向恢复损耗对于温度的依赖没那么明显,不带反并联SBD来说,此时的损耗也是ok的,较上述减小很对。是因为较大驱动电阻导致的较低的dv/dt和di/dt,导致了体二极管反向恢复效应的减小,大大降低了反向恢复损耗。

05Etotal-sw vs. Current曲线(Rg=1Ω)

在室温下,体二极管和SBD的损耗是相似的,在小电流下,体二极管具有较低的损耗,而在大电流下损耗略高。在175℃时,不带反并SBD的总开关损耗有反向恢复损耗主导,占了近一半。注意此时的驱动电阻使用的是1Ω,不带反并SBD将会导致较高的损耗。

06Etotal-sw vs. Current曲线(Rg=5Ω)

我们可以看到,在驱动电阻较大时,两者的总开关损耗在整个温度范围内是差不多的。所以在较大驱动电阻时,可以不带反并SBD。

07Etotal-sw vs. Rg曲线(ID=300A)

从上图我们可以看出,对于带反并SBD的模块,总开关损耗随驱动电阻呈线性关系,在室温下,体二极管也是一样的趋势。而在高温下,体二极管总开关损耗在驱动电阻范围内有个波谷,并且在更高的驱动电阻,两者的损耗将收敛到一起。

08Etotal-sw vs. Tj曲线(ID=300A)

这个曲线分别给到了驱动电阻为1Ω和5Ω时,总开关损耗随温度的变化关系。我们可以看到,在5Ω时,温度在大于75℃时,体二极管模块损耗开始增加,SBD模块基本稳定。但此时体二极管的损耗增大的并不是很多,仅约3mJ左右,在开关频率为20Hz时也就约60W,这与上面的结论一致。

参考文献:Comparing the Switching Performance of SiC MOSFET Intrinsic Body Diode to Additional SiC Schottky Diodes in SiC Power Modules, Wolfspeed

NO.3总结

上述比较了利用体二极管或者配置反并联SiC SBD模块之间的开关行为,主要是从开关损耗出发的。但实际应用中,我们不仅仅会关注到驱动电阻,还需要结合实际系统设计的参数,如杂散电感,需求开关频率等,以及实际应用的拓扑结构。不同的电路拓扑中,反并联二极管所扮演的角色可能不一样,从而实际表现的影响也不一样,需要实际情况实际分析。

另外,随着技术的迭代和生产工艺的优化,虽然体二极管并不是为了充当续流二极管而存在的,但是其性能会越来越贴近各种应用。带反并联SiC SBD的模块会有优异的特性,但其较快的恢复速度和较大的结电容等参数,在某些情况下也会出现不可控的开关行为,从而影响实际应用。

所以,是否需要额外反并联SiC SBD?综合考量和权衡,你会得到答案。

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公众号“功率半导体那些事儿”主笔,热衷于功率半导体行业,并且从事相关工作,喜欢关于相关行业的各种信息,知识和应用。珍惜时光,自由在高处。