2023-08-02 09:49:24
碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料，可實(shí)現(xiàn)以前使用硅（Si）無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多高功率應(yīng)用。650V碳化硅肖特基二極管，主要面向需要超高性能、低損耗和高效功率的電源應(yīng)用，可應(yīng)對(duì)高電壓和高電流應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
那么碳化硅二極管和硅二極管相比，有哪些優(yōu)勢(shì)呢？大家對(duì)碳化硅二極管又有怎樣的了解？
干貨分享：碳化硅二極管優(yōu)于硅二極管的8大原因
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在額定電壓相同的情況下，SiC二極管占用的空間比Si更小
SiC的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)比硅基器件高出約10倍，且在給定的截止電壓下，SiC的漂移層比硅基器件更薄且摻雜濃度更高，因此SiC的電阻率更低，傳導(dǎo)性能也更好。這意味著，在額定電壓相同的情況下，SiC芯片比其等效的硅芯片更小。使用更小的芯片還有一個(gè)額外好處，就是在電流和額定電壓給定的情況下，其器件的固有電容和關(guān)聯(lián)電荷都更低。結(jié)合SiC的更高電子飽和速度，這可以實(shí)現(xiàn)比Si基器件更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的損耗。
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SiC二極管具有更出色的散熱性能
SiC的熱導(dǎo)率幾乎是Si基器件的3.5倍，因此其每單位面積耗散的功率(熱量)也就更多。盡管封裝在持續(xù)運(yùn)行期間會(huì)是一個(gè)限制因素，但SiC帶來(lái)較大的裕量?jī)?yōu)勢(shì)，有助于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)易受瞬態(tài)熱事件影響的應(yīng)用。此外，耐高溫性能意味著SiC二極管具有更高的耐用性和可靠性，且不會(huì)出現(xiàn)熱失控危險(xiǎn)。
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單極性SiC二極管并沒(méi)有會(huì)造成減速和降低效率的存儲(chǔ)電荷
SiC二極管是單極性肖特基金屬半導(dǎo)體器件，其中只有多數(shù)載流子(電子)才能傳輸電流。這意味著，當(dāng)二極管正向偏壓時(shí)，結(jié)耗盡層幾乎不會(huì)存儲(chǔ)任何電荷。相比之下，P-N結(jié)硅二極管是雙極性二極管，且會(huì)存儲(chǔ)在反向偏壓期間必須去除的電荷。這會(huì)導(dǎo)致反向電流尖峰，因此二極管(以及任何關(guān)聯(lián)的開(kāi)關(guān)晶體管和緩沖器)的功率損耗更高，同時(shí)功率損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加而增大。SiC二極管在反向偏壓下會(huì)由于其固有電容放電而產(chǎn)生反向電流尖峰，但其峰值仍比P-N結(jié)二極管低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著二極管和相應(yīng)開(kāi)關(guān)晶體管的功耗都更低。
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SiC二極管的正向壓降和反向漏電流都與Si相匹配
SiC二極管的最大正向壓降可與超快Si二極管相媲美，并且仍在不斷改進(jìn)(在更高的額定截止電壓下，兩者存在細(xì)微差異)。盡管是肖特基類型的二極管，但在反向偏壓下，高壓SiC二極管的反向漏電流和由此產(chǎn)生的功耗相對(duì)較低，類似于同等電壓和電流級(jí)別的超快Si二極管。由于SiC二極管不存在反向電荷恢復(fù)效應(yīng)，所以SiC二極管和超快Si二極管之間由正向壓降和反向漏電流變化引起的任何微小功耗差異都比降低SiC動(dòng)態(tài)損耗所抵消的功耗更大
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SiC二極管恢復(fù)電流在其工作溫度范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，從而可以降低功耗
硅二極管的恢復(fù)電流和恢復(fù)時(shí)間隨溫度變化而存在巨大差異，從而加大了電路優(yōu)化的難度，但SiC二極管卻不存在這種變化。在一些電路中，如“硬開(kāi)關(guān)”功率因素校正級(jí)，充當(dāng)升壓整流器的硅二極管可以控制從高電流下的正向偏壓到典型單相AC輸入的反向偏壓(通常約為400V D母線電壓)產(chǎn)生的損耗。SiC二極管的特性可顯著提升此類應(yīng)用的效率，并可簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)考慮因素。
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SiC二極管可并聯(lián)連接，且不會(huì)出現(xiàn)熱失控危險(xiǎn)
SiC二極管與Si二極管相比還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它們可以并聯(lián)連接，因?yàn)槠湔驂航稻哂姓郎囟认禂?shù)(在I-V曲線的應(yīng)用相關(guān)區(qū)域),這有助于糾正所有電流不均流。相比之下，當(dāng)器件并聯(lián)連接時(shí)，SiP-N二極管的負(fù)溫度系數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致熱失控，需要使用明顯降額或附加的有源電路，以迫使器件實(shí)現(xiàn)均流。
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SiC二極管的電磁兼容性(EMI)優(yōu)于Si
SiC二極管軟開(kāi)關(guān)特性還帶來(lái)另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它可以顯著降低EMI。將Si二極管用作開(kāi)關(guān)整流器時(shí)，反向恢復(fù)電流的潛在快速尖峰(及其寬頻譜)可能導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。這些發(fā)射會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)干擾(通過(guò)各種耦合路徑),從而可能超過(guò)系統(tǒng)EMI限值。在這些頻率下，由于存在這種雜散耦合，濾波可能會(huì)比較復(fù)雜。此外，設(shè)計(jì)用于衰減開(kāi)關(guān)基頻和低諧波頻率(通常低于1MHz)的EMI濾波器通常都具備比較高的固有電容，從而會(huì)降低其在更高頻率下的濾波效果。緩沖器可在快速恢復(fù)Si二極管中用于限制邊沿速率以及抑制振蕩，從而減少對(duì)其他器件產(chǎn)生的應(yīng)力，降低EMI。但是，緩沖器會(huì)耗散大量能量，從而降低系統(tǒng)效率。
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SiC二極管的正向恢復(fù)功率損耗低于Si
在Si二極管中，正向恢復(fù)這種功率損耗來(lái)源往往會(huì)被忽視。從關(guān)斷狀態(tài)向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)換期間，二極管壓降會(huì)暫時(shí)增大，從而產(chǎn)生過(guò)沖、振鈴以及與P-N結(jié)初始傳導(dǎo)性較低相關(guān)的額外損耗。然而，SiC二極管卻不存在這種效應(yīng)，因此無(wú)需擔(dān)心正向恢復(fù)損耗。
