史 孟，彭詠龍，李亞斌，江 濤

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

?

SiC MOSFET體二極管反向恢復(fù)特性研究

史 孟，彭詠龍，李亞斌，江 濤

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

詳細(xì)分析了新型功率器件SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其寄生體二極管的反向恢復(fù)機(jī)理，推導(dǎo)了反向恢復(fù)過程的電壓與電流計算；同時，搭建了雙脈沖實(shí)驗(yàn)測試平臺，通過實(shí)驗(yàn)和仿真的方法，測試了不同關(guān)斷電壓、正向?qū)娏骱痛?lián)寄生電感這些最常見的外部因素對SiC MOSFET寄生體二極管反向恢復(fù)特性的影響；此外，對比測試了同電壓等級的SiC MOSFET、Si MOSFET寄生體二極管和快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)性能。相關(guān)結(jié)果表明SiC MOSFET寄生體二極管可以作為變換器中的續(xù)流通道而不必額外再單獨(dú)反并聯(lián)快恢復(fù)二極管，對實(shí)際工程應(yīng)用有一定的借鑒意義。

碳化硅MOSFET；體二極管；反向恢復(fù)

0 引 言

近年來，碳化硅(Silicon carbride，SiC)寬禁帶半導(dǎo)體器件因其高擊穿場強(qiáng)、高飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，可提高電力電子變換器的性能，成為了國內(nèi)外研究學(xué)者爭相關(guān)注的對象。SiC MOSFET因其比導(dǎo)通電阻低、工作頻率高和高溫條件下工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于高壓、高頻、高效的變換器中[1]。

在軟開關(guān)變換器中，MOSFET內(nèi)部寄生體二極管在零電壓開關(guān)(ZVS)模式下實(shí)現(xiàn)續(xù)流，幾乎沒有反向恢復(fù)電流產(chǎn)生[2，3]。但是，在一些硬開關(guān)變換器中，如半橋、全橋和LLC的電源系統(tǒng)，續(xù)流二極管需要在非零電壓開關(guān)(Non-ZVS)模式下完成續(xù)流，傳統(tǒng)Si MOSFET內(nèi)部寄生的體二極管因反向恢復(fù)特性較差，在這一過程會產(chǎn)生相當(dāng)大的電流尖峰和關(guān)斷浪涌電壓，嚴(yán)重時會損壞半導(dǎo)體器件[4]。因此，工程上通常采用在MOSFET漏極串聯(lián)二極管來阻止寄生體二極管導(dǎo)通，然后在漏源極兩端額外反并聯(lián)快恢復(fù)二極管來提供新的續(xù)流通路[5，6]。顯然，這種方極大地增加了電路設(shè)計的復(fù)雜性和成本費(fèi)用。如果新興的SiC MOSFET的寄生體二極管能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的反向恢復(fù)特性，那么這一弊端問題將得以解決。

然而，目前沒有幾篇文獻(xiàn)對SiC MOSFET寄生體二極管的動態(tài)特性進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]比較了SiC MOSFET和Si MOSFET寄生體二極管的性能，但是該文側(cè)重于分析二者在正向?qū)ㄐ阅苌系牟町?，僅比較了不同正向?qū)娏鳁l件下的反向恢復(fù)特性差異。文獻(xiàn)[7]提到影響SiC MOSFET寄生二極管反向恢復(fù)特性的因素可分為器件內(nèi)部參數(shù)和外部運(yùn)行條件兩類，外部因素除了正向?qū)娏魍膺€包括關(guān)斷電壓、換流斜率(di/dt)和結(jié)溫。文獻(xiàn)[8]探究了SiC MOSFET寄生體二極管在不同溫度下的相關(guān)特性，并探討了相關(guān)的功率損耗和可靠性問題。因此，SiC MOSFET寄生體二極管的反向恢復(fù)性能如何，能否替代反并聯(lián)快恢復(fù)二極管直接作為續(xù)流通道，仍沒有得到系統(tǒng)的評估。

本文在此基礎(chǔ)上，首先詳細(xì)分析了SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及寄生體二極管的反向恢復(fù)機(jī)理，然后通過雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺和仿真分析，研究了不同正向?qū)娏骱痛?lián)寄生電感對SiC MOSFET寄生體二極管反向恢復(fù)性能的影響；此外，還進(jìn)一步對比測試了同電壓等級的SiC MOSFET、Si MOSFET寄生體二極管和快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)性能。

1 SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)及反向恢復(fù)機(jī)理

圖1為SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)單元截面圖，其主要由柵極(G)、漏極(D)、源極(S)和N溝道組成，垂直結(jié)構(gòu)。由圖1所示的結(jié)構(gòu)可以看到，P基區(qū)和N+層形成了一個PN結(jié)，即SiC MOSFET的寄生體二極管[8]。

當(dāng)寄生體二極管外加正向電壓VF時，PN結(jié)的內(nèi)電場被削弱，漂移和擴(kuò)散的動態(tài)平衡遭到破壞，擴(kuò)散運(yùn)動強(qiáng)于漂移運(yùn)動，如圖1中箭頭所示，P區(qū)的多子(空穴)流向N區(qū)，N區(qū)的多子(電子)流向P區(qū)，進(jìn)入N區(qū)的空穴和進(jìn)入P區(qū)的電子就會成為該區(qū)的少子。這些多出來的少子依靠積累時濃度差在P區(qū)和N區(qū)之間進(jìn)行擴(kuò)散，被稱為非平衡少子。在擴(kuò)散過程中，空穴同N區(qū)中的多子電子發(fā)生復(fù)合，與PN結(jié)邊界相距越遠(yuǎn)，發(fā)生復(fù)合的空穴也就越多。正向?qū)〞r非平衡少子積累的這一現(xiàn)象通常被叫做電荷存儲效應(yīng)。

圖1 SiC MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

此時，若在寄生體二極管外突然加反向電壓，PN結(jié)內(nèi)漂移運(yùn)動就會強(qiáng)于擴(kuò)散運(yùn)動，上述P區(qū)存儲的電子和N區(qū)存儲的空穴并不會立刻消失，而是通過以下兩種途徑逐漸減少：(1)與多數(shù)載流子發(fā)生復(fù)合；(2)在反向電場的作用下，P區(qū)存儲的電子逐步回到N區(qū)，N區(qū)存儲的空穴逐步回到P區(qū)，由此產(chǎn)生反向漂移電流。

整個反向恢復(fù)過程可以細(xì)分為4個階段，如圖2所示[8]。

圖2 體二極管反向恢復(fù)特性曲線

(1)t0～t1階段。體二極管仍處于續(xù)流階段，PN結(jié)處于正向偏置，結(jié)電阻很小，勢壘區(qū)很窄，流過體二極管的正向電流開始以一固定的di/dt減小，di/dt的大小由外電路參數(shù)決定。

(2)t1～t2階段。在反向電壓的作用下，體二極管之前存儲的電荷開始掃出，由于P N結(jié)處耗盡層尚未形成，掃出的過量電荷繼續(xù)維持著反向電流；電流開始以di/dt的速率反向增大，體二極管尚未承受反向電壓。

(3)t2～t3階段。PN結(jié)處等離子濃度已經(jīng)衰減為0，形成耗盡層，體二極管開始承受反向電壓。由于反向電壓急劇增大，反向恢復(fù)電流反向增大的速度di/dt開始逐漸減?。辉趖3時刻，反向電壓達(dá)到VDC，反向恢復(fù)電流的di/dt降為0，恢復(fù)電流達(dá)到反向最大值，即IRM。

(4)t3～t4階段。擴(kuò)散到耗盡層的載流子開始繼續(xù)維持反向電流，因?yàn)榈入x子一直在耗散，導(dǎo)致空間電荷區(qū)邊緣的過量電荷濃度梯度在逐漸降低，所以反向電流自t3后以負(fù)di/dt的速率逐漸減??；同時，體二極管所承受的反向電壓也將繼續(xù)增長，并在反向電流降為0的時候達(dá)到峰值VPM。t4之后，電路進(jìn)入RLC自由振蕩階段，電流和電壓振蕩衰減至穩(wěn)定值(圖2中有省略)。

2 實(shí)驗(yàn)原理及分析

2.1 雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺介紹

雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺雖然設(shè)計簡單，卻能準(zhǔn)確獲取MOSFE在開關(guān)過程中的主要參數(shù)，包括寄生體二極管的反向恢復(fù)性能[10]。電路原理圖如圖3所示，在上端MOSFET(M1)的柵極加上5 V的負(fù)壓，以保證其關(guān)斷，只有寄生體二極管起續(xù)流作用；在下端MOSFET(M2)的柵極加上雙脈沖信號，以此來控制M1體二極管的續(xù)流。

圖3 雙脈沖實(shí)驗(yàn)原理圖

因?yàn)椴荒苤苯訙y得體二極管的反向恢復(fù)電流波形，所以采用在M2的漏極處測量電流ID的替代方法，相關(guān)波形如圖4所示。

圖4 測試點(diǎn)電流波形

2.2 反向恢復(fù)過程的電壓與電流計算

根據(jù)第1小節(jié)中分析，整個反向恢復(fù)過程分為4個階段。

在t0～t1，t1～t2兩個階段，體二極管從正向?qū)娏鱅D開始以一恒定的di/dt下降，因?yàn)镸1體二極管的反向?qū)娮韬苄。雎圆挥?，由回路KVL方程可得[8]：

(1)

由式(1)可知，該di/dt主要由電路外部參數(shù)決定，分別是電動勢VDC，下端M2的漏源間電壓Vds,和回路寄生電感L1，又因?yàn)镸2開通速度很快，Vds的影響很微弱。

t2～t3階段，反向恢復(fù)電流繼續(xù)反向增大至IRM，速率di/dt與之前相比有所減小，且主要由器件本身特性所決定，而不取決于外圍電路參數(shù)。

t3～t4階段，體二極管進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)，反向恢復(fù)電流開始減小,與之相并聯(lián)的寄生電容Cds開始被充電，且與串聯(lián)寄生電感L1發(fā)生諧振，相關(guān)方程組如下[10]：

(2)

(3)

且 iL(0)=IRM，Vc(0)=0；Roff為體二極管等效電阻；

將(3)式代入(2)式，可得：

(4)

對二階常系數(shù)非齊次線性微分方程(4)求解，可得體二極管兩端的Vc和這一階段的反向恢復(fù)電流iL：

(5)

(6)

其中：

(7)

(8)

(9)

(10)

條件是：

(11)

一般情況下Roff都很大，因此都能滿足這一條件。由(5)、(6)兩式可知，t3～t4階段及往后，體二極管的電壓與電流波形高頻振蕩，呈指數(shù)衰減，同時產(chǎn)生很高的反向電壓尖峰，可能會危及MOSFET器件本身的安全。t3～t4這段時間的長短與體二極管Roff、Cds的大小相關(guān),相同條件下該段時間越短，反向電壓尖峰就越大。

2.3 改變正向?qū)娏?/p>

SiC MOSFET寄生體二極管的反向恢復(fù)特性取決于器件內(nèi)部參數(shù)和外部操作條件。器件內(nèi)部參數(shù)由器件廠商決定，因此外部因素是需要研究的重點(diǎn)，而不同的關(guān)斷電壓和正向?qū)娏魇瞧骷畛Ｒ姷耐獠恳蛩豙6，7]。在接下來的測試中，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器來改變SiC MOSFET關(guān)斷電壓，由2.1節(jié)可知，進(jìn)而會改變寄生體二極管的正向?qū)娏?，觀測寄生體二極管的反向恢復(fù)電流，波形如圖5所示。

圖5 不同正向?qū)娏飨碌姆聪蚧謴?fù)波形對比

對比圖5的電流波形發(fā)現(xiàn)：當(dāng)體二極管承受的關(guān)斷電壓Vdc由225 V增大到375 V時，正向?qū)娏鱅F的下降速度di/dt也隨之由550 A/μs增大到710 A/μs，這符合公式(1)的分析。同時，由圖5可以看出反向恢復(fù)電流隨著正向?qū)娏髟龃蠖兴龃?，這是因?yàn)閽叱鰜淼碾姾闪颗c正向?qū)娏鲙缀醭烧?；但其對峰值電流IRM的影響很微弱，正向?qū)娏鲝?5 A增大到25 A，而反向恢復(fù)電流峰值僅增加2 A，最大反向峰值電流5.5 A，這也在一定程度上表明了SiC MOSFET寄生體二極管的優(yōu)良性能。另外，雖然反向恢復(fù)電流的峰值不同，但振蕩的趨勢卻相近似，由公式(6)～(8)可知，影響振蕩的ω并未改變，只是初始角度ψ和幅值VA有所變化。

2.4 改變寄生電感

線路的寄生電感也是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中不得不考慮的重要外部因素之一[9]。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件限制，不方便輕易有效的改變線路的寄生電感，所以采用仿真的方法來觀測不同串聯(lián)寄生電感條件下SiC MOSFET寄生體二極管的反向恢復(fù)電流。在OrCad Capture 16.3中按圖3搭建仿真電路，其中SiC MOSFET(IXFN50N120SiC)器件模型由廠家提供的Spice程序構(gòu)建，串聯(lián)寄生電感L1分別取100 nH、150 nH和200 nH，體二極管的反向恢復(fù)電流如圖6所示(仿真可以直接測得該電流)。

圖6 不同寄生電感下的反向恢復(fù)波形對比

由圖6的仿真結(jié)果圖可以看到，寄生電感值越小，正向?qū)娏鱅F的下降速度di/dt就越大，這符合公式(1)的分析，對應(yīng)的反向恢復(fù)電流的峰值IRM的值就越大，但差別很微弱。然而，由公式(6)～(8)可知，寄生電感值越大，影響振蕩的ω值就越小，導(dǎo)致相對應(yīng)的反向恢復(fù)電流的振蕩就越嚴(yán)重，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)耗時就越長，這與仿真波形是相吻合的。因此，綜合考慮應(yīng)盡可能的減小線路的寄生電感。

2.5 體二極管反向恢復(fù)特性對比

為了更好的測試SiC MOSFET體二極管的反向恢復(fù)性能，特意選擇和同電壓等級的Si MOSFET以及快恢復(fù)二極管做對比，三種器件的參數(shù)如表1所示?？烧{(diào)直流電壓源統(tǒng)一設(shè)定為300 V，保證正向?qū)〞r電流都為20 A。分別測量各自二極管兩端的電壓和流過下端M2的電流，相關(guān)波形如圖7所示。

表1 三種二極管的主要參數(shù)對比

對比圖7波形可以發(fā)現(xiàn)：SiC MOSFET寄生體二極管性能和快恢復(fù)二極管相當(dāng)，遠(yuǎn)好于Si MOSFET，甚至在反向電壓浪涌方面還優(yōu)于快恢復(fù)二極管。SiC MOSFET寄生體二極管和快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)速度極快，約70～80 ns，而Si MOSFET則為300 ns，遠(yuǎn)高于前二者；SiC MOSFET寄生體二極管的反向恢復(fù)電流峰值最小，為3.5 A，快恢復(fù)二極管次之，為5 A，Si MOSFET寄生體二極管表現(xiàn)最差，高達(dá)18 A；同時，SiC MOSFET寄生體二極管反向恢復(fù)過程引起的電壓浪涌是最小的，約為電源電壓的1.7倍，而Si MOSFET寄生體二極管和快恢復(fù)二極管在反向過程中引起的電壓浪涌分別達(dá)到了原電源電壓的2.3～2.5倍，對器件安全構(gòu)成很大的威脅；由公式(5)～(8)可知，反向恢復(fù)電壓、電流波形的振蕩與器件的寄生電感和電容有關(guān)，結(jié)合表1，Si MOSFET的寄生電容最大，因而振蕩最為嚴(yán)重。

圖7 三種二極管的反向恢復(fù)波形對比

3 結(jié)論

本文在詳細(xì)分析了新型功率器件SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及體二極管反向恢復(fù)機(jī)理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了反向恢復(fù)過程的電壓與電流計算。搭建了雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺，探究了不同正向?qū)娏骱痛?lián)寄生電感對SiC MOSFET寄生體二極管反向恢復(fù)性能的影響，結(jié)果表明即使是在較大正向?qū)娏飨拢w二極管的反向恢復(fù)電流也在可接受的范圍內(nèi)，而較大的寄生電感會引起反向恢復(fù)電流的劇烈振蕩。同時，還進(jìn)一步對比測試了同電壓等級的SiC MOSFET、Si MOSFET寄生體二極管和快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)性能，結(jié)果表明SiC MOSFET寄生體二極管的性能遠(yuǎn)優(yōu)于Si MOSFET的寄生體二極管，和快恢復(fù)二極管的性能相當(dāng)。因此，SiC MOSFET寄生體二極管可以作為變換器中的續(xù)流通道而不必再額外的單獨(dú)反并聯(lián)快恢復(fù)二極管，但在應(yīng)用過程中應(yīng)注意通過合理的布線來減小線路寄生電感帶來的不利影響。

[1]李榮榮. 基于SiC MOSFET的高頻感應(yīng)加熱電源關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 保定：華北電力大學(xué), 2015.

[2]王藝翰, 凌志斌, 李睿, 等. 一種新穎的零電壓開關(guān)全橋逆變器 [J]. 電工電能新技術(shù), 2014, 33(5): 12-16.

[3]李建文, 劉教民, 王震洲,等. 高頻逆變電源新型軟開關(guān)調(diào)功策略的研究[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 37(3):33-37.

[4]楊志華. 開關(guān)電源中二極管反向恢復(fù)的電壓浪涌與損耗 [J]. 通信電源技術(shù), 1998(4):5-8.

[5]BOLOTNIKOV A, GLASER J, NASADOSKI J, et al. Utilization of SiC MOSFET body diode in hard switching applications[C]//Materials Science Forum. 2014, (778): 947-950.

[6]JORDAN J, ESTEVE V, SANCHIS-KILDERS E, et al. A comparative performance study of a 1200 V Si and SiC MOSFET intrinsic diode on an induction heating inverter[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2014, 29(5): 2550-2562.

[7]SARNAGO H, LUCIA O, BURDIO J M. A comparative evaluation of SiC power devices for high-performance domestic induction heating[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2015, 62(8): 4795-4804.

[8]FUNAKI T. A study on performance degradation of SiC MOSFET for burn-in test of body diode[C]// IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems. 2013:675-676.

[9]葛小榮, 劉松. 理解功率MOSFET體二極管反向恢復(fù)特性 [J]. 今日電子, 2012(11):36-37.

[10]洪峰, 單任仲, 王慧貞,等. 一種逆變器損耗分析與計算的新方法 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2008, 28(15):72-78.

SHI Meng，PENG Yonglong，LI Yabin，JIANG Tao(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Research on Reverse Recovery Behavior of the Body Diode of SiC MOSFET

The structure characteristics of the new power device SiC MOSFET and the mechanism of the reverse recovery of the body diode are analyzed in detail, and the calculation process of the voltage and current of the reverse recovery process is derived. At the same time, a double pulse test platform is built, and the effects of the most common external factors, such as varied turn-off voltage, forward current and series parasitic inductance, on the reverse recovery behavior of the body diode of SiC MOSFET is analyzed by the methods of experiment and simulation. In addition, the reverse recovery performances of the body diode of SiC MOSFET, Si MOSFET and fast recovery diode are compared at the same voltage level. Related research results show that the body diode of SiC MOSFET can be used as a continuous flow channel in the converter without anti-paralleling a fast recovery diode, which has a certain reference value for practical engineering applications.

SiC MOSFET；body diode；reverse recovery

2016-06-20。

史孟(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,E-mail:shimengdy@126.com。

TM20

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.09.007