SiCer小課堂 l 碳化硅肖特基二極管的基本特征分析

發表時間:2019-12-26 18:00

     碳化硅作為一種寬禁帶半導體材料,比傳統的硅基器件具有更優越的性能。碳化硅的寬禁帶(3.26eV)、高臨界場(3×106V/cm)和高導熱系數(49W/mK)使功率半導體器件效率更高,運行速度更快,能夠有效降低產品成本、體積及重量。

碳化硅具有載流子飽和速度和熱導率大的特點,應用開關頻率可達到1MHz,在高頻應用中優勢明顯,其中碳化硅肖特基二極管(SiC JBS)耐壓可以達到6000V以上。
相對應的,硅材料的禁帶寬度較低,在較低的溫度下硅器件本征載流子濃度較高,而高的漏電流會造成熱擊穿,這限制了器件在高溫環境和大功率耗散條件下工作。

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碳化硅肖特基二極管與硅快速恢復二極管

耐壓特性比較

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1、碳化硅肖特基二極管器件結構和特征

    用碳化硅肖特基二極管替換快速PN 結的快速恢復二極管(FRD),能夠明顯減少恢復損耗,有利于開關電源的高頻化,減小電感、變壓器等被動元件的體積,使開關電源小型化,并降低產品噪音。


2、碳化硅肖特基二極管的正向特性

     碳化硅肖特基二極管的開啟導通電壓比硅快速恢復二極管較低,如果要降低VF值,需要減薄肖特基勢壘的高度,但這會使器件反向偏壓時的漏電流增大。
     碳化硅肖特基二極管的溫度特性與硅快速恢復二極管不同,當溫度升高時導通阻抗會增加,VF值也上升,這樣器件發熱不易發生熱失控,更適合并聯使用。

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     同等溫度條件下,IF=10A時碳化硅與硅二極管正向導通電壓比對,碳化硅肖特基二極管的導通壓降為1.5V,硅快速恢復二極管的導通壓降為1.7V, 碳化硅材料性能好于硅材料。


3、碳化硅肖特基二極管的恢復特性

     硅快速恢復二極管存在反向漏電流較大和反向恢復時間長的問題,當二極管從正向導通狀態切換到反向截止狀態時,瞬間會產生極大的反向瞬態沖擊電流,器件從正壓導通轉向反壓截止偏壓狀態。此過程時間長,電流大,會產生較大的損耗,當器件正向電流越大及溫度越高時,恢復時間和恢復電流就越大,損耗也就越大。

      碳化硅肖特基二極管是一種多數載流子導電器件(單極性器件),在工作過程中不會發生少數載流子存儲的現象,也不會產生過大的正反向切換瞬態沖擊電流,只有結電容放電的小電流,因此碳化硅肖特基二極管的開關損耗硅快速恢復二極管更低。使用碳化硅肖特基二極管可以減少損耗,能快速穩定實現器件的正反切換,提高產品的效率和降低產品噪音,同時易于改善EMI。

以下測試結果基于基本半導體碳化硅肖特基二極管B1D20065K(650V/20A),電流特性(5A、10A、15A)

       硅快速恢復二極管(環境溫度25℃)                    

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碳化硅肖特基二極管(環境溫度25℃)

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  • 硅快恢復二極管在5A、10A和15A對應的反向恢復電流分別是9.3A、13.0A和15.8A;

  • 碳化硅肖特基二極管在5A、10A和15A對應的反向恢復電流分別是2.5A、3.1A和3.6A;

     從測試數據來看在5A、10A、15A三等級電流測試中,碳化硅肖特基二極管的反向恢復電流比硅快恢復二極管小,有利提升產品效率。

    硅快速恢復二極管(10A)

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   碳化硅肖特基二極管(10A)

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  • 在25℃和125℃時,硅快恢復二極管的反向恢復電流分別是13.2A和24.4A;

  • 在25℃和125℃時,碳化硅肖特基二極管的反向恢復電流分別是3.0A和3.1A;

     從測試數據來看,在同等溫度條件下,IF=10A時,碳化硅肖特基二極管的反向恢復電流低于硅快恢復二極管,因此碳化硅肖特基二極管的損耗同樣低于硅快恢復二極管


4、基本半導體碳化硅肖特基二極管主要特性參數及應用

  • 最高反向工作電壓(VRSM):二極管能承受的最大反向電壓;

  • 正向連續導通電流(IF):二極管長期連續工作時所允許通過的最大正向電流,IF值與器件結溫呈負相關關系,結溫越高,IF值越小。

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  • 正向瞬時導通電流(IF):IFSMIFMAX越大,瞬時抗沖擊浪涌能力越強。

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  • 正向電壓(VF):正向電壓越大,二極管的功耗越大,其值越小越好。

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  • 工作溫度Tj: Tj的工作溫度越寬,說明器件的高溫特性越好,可以在高溫下工作,不影響器件的性能。

  • 反向飽和電流(IR):也稱為漏電流,在反向偏壓一定的情況下,反向飽和電流的大小決定了二極管自身的損耗,反向飽和電流越大,二極管的功耗越大,器件本體發熱越嚴重,因此反向飽和電流直接影響二極管的可靠性,其值越小越好;

  • 電荷電容(QC):QC越大,二極管的開關損耗越大;


  • 熱阻Rth(jc): Rth(jc)值越小,在使用中二極管管芯向外部散熱速度越快,器件溫度越低,散熱效果越好,器件工作穩定性越好。


      基本半導體自主研發推出了650V、1200V、1700V系列標準封裝碳化硅肖特基二極管及1200V碳化硅MOSFET產品,具有極高的工作效率,性能優越達到國際先進水平,可廣泛應用于新能源充電樁、光伏逆變器、5G微基站電源、軌道交通系統中的輔助電源以及車載OBC等功率因數校正電路(PFC 電路)和DC/DC整流輸出電路中。


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