隨著寬帶隙半導體技術變得越來越流行，正在執行不同的耐久性測試來評估二極管在高溫和嚴酷電流循環條件下的運行情況。毫無疑問，電力電子在未來幾年內將繼續在基礎組件方面發展。與傳統硅材料相比，采用碳化硅 (SiC) 的新型半導體材料能夠提供更好的導熱性、更高的開關速度和更小的器件尺寸，因此備受推崇。這就是為什么 SiC 開關已成為設計人員的喜悅。

碳化硅二極管多為肖特基二極管。第一個商用碳化硅肖特基二極管是在十多年前推出的。從那時起，這些設備已被集成到許多電源系統中。二極管升級為 SiC 功率開關，如 Jfet、Bjt 和 Mosfet。目前可提供擊穿電壓為 600-1700 V、額定電流為 1 A-60 A 的 SiC 開關。這里的重點是如何有效地測量 Sic MOSFET。

圖 1：第一個商用 SiC MOSEFT，CMF20120D

碳化硅二極管

最初，可用的是簡單的二極管，但隨著技術的發展，升級了 JFET、MOSFET 和雙極晶體管的生產。碳化硅 (SiC) 肖特基二極管具有更高的開關性能、效率、功率密度和更低的系統成本。這些二極管提供零反向恢復、低正向壓降、電流穩定性、高浪涌電壓能力和正溫度系數。

新型二極管面向各種應用的電源轉換器設計人員，包括光伏太陽能逆變器、電動汽車 (EV) 充電器、電源和汽車應用。與硅相比，它具有更低的漏電流和更高的摻雜。一個重要的特性是高溫下的行為：隨著溫度的升高，硅的直接表征發生了很大的變化。碳化硅是一種非常堅固可靠的材料。然而，在 SiC 的情況下，它仍然局限在小范圍內。

讓我們檢查一個 SiC 二極管

待測試的 SiC 二極管原型示例是 ROHM 的 SCS205KG 型號，這是一款 SiC 肖特基勢壘二極管（圖 2）。以下是其一些最重要的功能：

• 電壓：1200 伏；
• 如果：5 A（+150°C）；
• 浪涌非重復正向電流：23 A（PW=10ms 正弦波，Tj=+25°C）；
• 浪涌非重復正向電流：17 A（PW=10ms 正弦，Tj=+150°C）；
• 浪涌非重復正向電流：80 A（PW=10us square，Tj=+25°C）；
• 總功耗：88 W；
• 結溫：+175°C；
• TO-220AC 封裝。

圖 2：ROHM 的 SCS205KG 碳化硅二極管

這是一個非常強大的組件，具有很短的恢復時間和高速開關。其官方 SPICE 模型允許在任何條件下對組件進行仿真。

* SCS205KG
* SiC 肖特基勢壘二極管模型
* 1200V 5A
* 模型由 ROHM 生成
* 版權所有
* 日期：2015/11/16
*****************AC
.SUBCKT SCS205KG 1 2
.PARAM T0=25
.FUNC R1(I) {40.48m*I*EXP((TEMP-T0)/155.8)}
.FUNC I1(V) {2.102f*(EXP(V/0.02760/EXP((TEMP) -T0)/405.3))-1)*
+ EXP((TEMP-T0)/7.850*EXP((TEMP-T0)/-601.3))}
.FUNC I2(V) {TANH(V/0.1)*( 710.4p*EXP(-V/198.3)*EXP((TEMP-T0)/54.40)+
+ 26.02f*EXP(-V/63.22/EXP((TEMP-T0)/178.9))*
+ EXP((TEMP) -T0)/8.493*EXP((TEMP-T0)/-600)))}
V1 1 3 0
E1 3 4 VALUE={R1(MIN(MAX(I(V1)/0.5,-500k),500k)) }
V2 4 5 0
C1 5 2 0.5p
G1 4 2 VALUE={0.5*(I1(MIN(MAX(V(4,2),-5k),5))+I2(MIN(MAX(V(4,2),-5k),5)) )+
+ I(V2)*(913.9*(MAX(V(4,2),0.5607)-0.5607)+
+ 727.2*(1-360.9*TANH(MIN(V(4,2),0.5607)/360.9) )/1.121)**-0.4987)}
R1 4 2 1T
.ENDS SCS205KG

正向電壓

第一個測量操作涉及 SiC 二極管的正向電壓。如圖 3 所示，這是測試的簡單電路、其三維表示以及在不同工作溫度下有關正向電壓的組件數據表的摘錄。

圖 3：測試 SiC 二極管正向電壓的測試示意圖

測試接線圖包含串聯連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，該二極管具有約 6.7 歐姆的非常強大的電阻，其大小允許 5 A 的電流通過電路。電源電壓設置為 36 V。為了更好地優化散熱和散熱，我們使用了十個 67 歐姆電阻器，并聯連接，以模擬單個 6.7 歐姆電阻器。每個電阻的功率必須至少為 20 W。肖特基二極管 SCS205KG 的數據表確定了組件在各種工作溫度下的以下電壓：

• 如果=5A，Tj=+25°C：1.4V；
• 如果=5A，Tj=+150°C：1.8V；
• 如果=5A，Tj=+175°C：1.9V。

這些特性解釋了二極管兩端的電壓如何高度依賴于其溫度。因此，設計人員必須盡可能地抑制這種電壓波動，因為它會改變最終系統的行為。現在，使用 SPICE 指令在 0°C 到 200°C 的溫度范圍內進行 DC 掃描模擬，該模擬涉及測量功率二極管兩端的電壓：

.DC 溫度 0 200 25

仿真返回二極管在不同溫度下的以下電壓值，完全證實了數據表提供的指示。彩色單元格包含文件中報告的測試溫度。

如圖 4 所示，綠色曲線圖顯示二極管陽極上 36 V 的固定電壓，黃色曲線圖顯示陰極上的電壓，具體取決于溫度。這種電位差構成了“正向電壓”。仍然在同一幅圖中，由于陽極和陰極電壓之間的代數差，可以觀察到元件上的電位差。此測試必須僅執行幾秒鐘。

圖 4：仿真在時域上測量 SiC 二極管的正向電壓

容抗

第二個測量操作涉及 SiC 二極管的容抗。讓我們看一下圖5，其中我們可以看到測試的簡單電路及其三維表示。

圖 5：測試 SiC 二極管容抗的測試示意圖

電氣圖包含串聯連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，其電阻非常低，約為 0.1 歐姆。此外，還有一個與二極管并聯的第二電阻器。它的價值非常高。電源電壓是一個設置為 1 V 的正弦源。對于這個測試，我們可以執行 AC 模擬，這涉及在 200 kHz 和 2 MHz 之間的頻率域中測量功率二極管的容抗，使用SPICE 指令：

.AC lin 1000 0.2Meg 2Meg

模擬（見圖 6）在正弦源的不同頻率下返回不同的容抗。

圖 6：仿真在頻域上測量 SiC 二極管的容抗。二極管就像一個小電容器，其容量取決于它所承受的頻率。

為了測量二極管的容抗，我們使用以下公式，如圖 7 所示。它發生在頻域中的交流電中。

IM(V(n002)/I(R1))

圖7：計算二極管容抗的公式

二極管可以用電容器代替，以實現真實的和真實的組件來執行另一個模擬。

反向電流

第三個測量操作涉及 SiC 二極管的反向電流。讓我們看一下圖 8，其中包含測試的簡單電路、其三維表示以及涉及不同溫度下的反向電流的組件數據表的摘錄。

圖 8：測試 SiC 二極管反向電流的測試示意圖

電氣圖包含串聯連接的肖特基 SCS205KG SiC 二極管，其電阻非常低，約為 0.1 歐姆。電源電壓是設置為 1200 V 的正弦源。二極管以反向模式連接。對于此測試，可以使用 SPICE 指令執行 DC 模擬（掃描），其中包括在 +20°C 和 +200°C 之間的溫度域中測量流過二極管的反向電流：

.DC 溫度 20 200 1

在圖 9 中，圖表顯示二極管上流動的反向電流很小，隨溫度變化。

圖 9：模擬測量溫度域上 SiC 二極管上的反向電流

圖 10（V 與 I）顯示了反向電流圖，與施加到二極管的電壓有關，在 +25° C 的固定溫度下，介于 0 V 和 1200 V 之間。

圖 10：在 +25° C 的溫度下反向電流與施加到二極管的電壓的關系圖。

結論

SiC 二極管的特點是恢復時間非常快。這允許更高的開關速度和更小的磁性和其他無源元件的尺寸。最終設備可以具有更高的功率密度。它們還為電源開關應用提供了在效率和熱性能方面的顯著優勢。這些組件可以在更高的溫度下運行。溫度是改變電子元件工作條件的重要因素。執行真實測試（使用真實 SiC 組件）和仿真可能會很有趣，以評估仿真器的有效性和實用性，尤其是 SPICE 模型的有效性和實用性。

審核編輯：湯梓紅