SiC功率器件的开关特性探究

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1、万方数据第33卷第3期2014年3月电工电能新技术AdvancedTechnologyofE1ectricalEngineeringandEnergyV01．33．No．3Mar．2014SiC功率器件的开关特性探究赵斌，秦海鸿，马策宇，袁源，钟志远(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天大学)，江苏南京210016)摘要：与Si功率器件相比，SiC功率器件因其阻断电压高、开关频率高和工作温度高的性能特点，显示出广阔的应用前景。本文分析了sic肖特基二极管和sicMOsFET的开关特性，重点研究其与Si功率器件的特性与应用差异。设计制作了基于Buck变换器的测试实验

2、样机，分别采用Si功率器件和sic功率器件进行测试，对测试结果进行了对比分析。实验结果验证了文中分析的开关特性差异，从而为sic功率器件的优化选择和应用提供了一定依据。关键词：碳化硅；肖特基二极管；MOSFET；开关特性中图分类号：TN31／387文献标识码：A文章编号：1003—3076(2014)03_oOl8-051引言电力电子器件是电力电子装置的重要基础，器件的性能对整个装置的技术指标和性能有着重要的影响¨。。Si功率器件经过五十多年的长足发展，其性能已趋近其理论极限，难以再大幅度提升。近年来，以碳化硅(SiliconCarbide，SiC)为代表的宽禁带半导体技术迅速

3、发展，与si相比，sic半导体具有禁带宽度高、临界电场击穿强度高和热导率高等特征，基于sic的电力电子器件阻断电压高、通态电阻低、开关损耗小且耐高温工作，能大幅降低装置的功耗、缩小装置的体积。特别是在高频、高温和大功率电力电子应用领域，siC电力电子器件具有si半导体器件难以比拟的巨大应用优势和潜力∽1。目前，sic肖特基二极管(schottkyBarrierDi·ode，sBD)、sicJFET和sicMOsFET都已经成功实现商业化。由于半导体材料性能不同，Sic功率器件与si功率器件的电气特性存在一些差异¨⋯。为保证正确使用sic功率器件并能够充分发挥其特性优势，使得基于

4、sic功率器件的变换器系统能够获得更优的性能，需要对sic功率器件的开关特性和参数，尤其是开关特性进行深入分析和研究"。1。本文主要以CREE公司的SiCSBD和SiCMOS-FET为例，分析和探究sicsBD和sicMOSFET的开关特性与应用优势。本文重点分析其与si器件的开关特性差异，并设计制作了Buck变换器样机作为实验测试平台，验证sic器件的特性与应用优势，从而为sic功率器件的优化选择和应用提供依据。2SiCSBD开关特性分析功率二极管的开关特性一般包括正向恢复特性和反向恢复特性，以下对SicsBD分别予以分析。2．1正向恢复特性功率二极管开通电压过冲的形成主要与

5、两个因素有关：电导调制效应和内部寄生电感效应。sicsBD由于不存在电导调制效应，因此只受寄生电感的影响，通过工艺改进能够基本实现sicsBD的零正向恢复电压。2．2反向恢复特性功率二极管的反向恢复特性是二极管选型的重要指标之一，主要受电导调制效应和寄生电容效应影响。si快恢复二极管存在电导调制效应，反向恢复时间长，反向恢复电流尖峰大，在线路中的杂散电感上感应出很大的电压尖峰，增加了功率器件的电收稿日期：2013-04—25基金项目：教育部博士点基金(20123218120017)、南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金资助项目(k蜘120108)、中央高校基本科研业

6、务费专项资金资助项目作者简介：赵斌(1989一)，男，安徽籍，硕士研究生，从事碳化硅功率器件应用的研究；秦海鸿(1977．)，男，江苏籍，副教授，博士，研究方向包括碳化硅功率器件应用技术、功率变换技术、电机控制。万方数据第3期赵斌，等：sic功率器件的开关特性探究19压应力。sicsBD没有电导调制效应，反向恢复主要受电路中寄生电容的影响，因而反向电流尖峰小、开关速度快、开关损耗小。图1给出了相同功率等级(1200V／25A)的SicsBD和siPiN快恢复二极管的反向恢复曲线对比¨3，图中siCSBD的反向恢复电流尖峰明显小于siPiN快恢复二极管，反向恢复损耗显著降低。此外

7、，siCSBD的反向恢复特性几乎不随温度变化，表现出良好的热稳定性。而si快恢复二极管的反向恢复电流和反向恢复时间均随温度的增加而恶化，工作温度增加时器件更容易失效。302010O《。10瓷_20-30_40-50。SiCv鞲s1圬SiR硝，mseR氍口v翻YC口mp瘾佣蕞VU狮‘=1．2譬钒IF=25A{§％节∥_蒯黼馥蕊黼攀一}l鬻’一SicJBSI沈5。C鼍器—SiPiN@25。C—SiCJBS@25。C鼍雾—SiPlN@250C—SiCJBS国250C—SiPiN@25。CV—SiC