SiC MOSFET體二極管反向恢復特性研究

史 孟，彭詠龍，李亞斌，江 濤

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

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SiC MOSFET體二極管反向恢復特性研究

史 孟，彭詠龍，李亞斌，江 濤

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北保定071003)

詳細分析了新型功率器件SiC MOSFET的結構特點及其寄生體二極管的反向恢復機理，推導了反向恢復過程的電壓與電流計算；同時，搭建了雙脈沖實驗測試平臺，通過實驗和仿真的方法，測試了不同關斷電壓、正向導通電流和串聯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二極管的反向恢復性能。相關結果表明SiC MOSFET寄生體二極管可以作為變換器中的續流通道而不必額外再單獨反并聯快恢復二極管，對實際工程應用有一定的借鑒意義。

碳化硅MOSFET；體二極管；反向恢復

0 引 言

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

在軟開關變換器中，MOSFET內部寄生體二極管在零電壓開關(ZVS)模式下實現續流，幾乎沒有反向恢復電流產生[2，3]。但是，在一些硬開關變換器中，如半橋、全橋和LLC的電源系統，續流二極管需要在非零電壓開關(Non-ZVS)模式下完成續流，傳統Si MOSFET內部寄生的體二極管因反向恢復特性較差，在這一過程會產生相當大的電流尖峰和關斷浪涌電壓，嚴重時會損壞半導體器件[4]。因此，工程上通常采用在MOSFET漏極串聯二極管來阻止寄生體二極管導通，然后在漏源極兩端額外反并聯快恢復二極管來提供新的續流通路[5，6]。顯然，這種方極大地增加了電路設計的復雜性和成本費用。如果新興的SiC MOSFET的寄生體二極管能夠表現出優良的反向恢復特性，那么這一弊端問題將得以解決。

然而，目前沒有幾篇文獻對SiC MOSFET寄生體二極管的動態特性進行研究。文獻[6]比較了SiC MOSFET和Si MOSFET寄生體二極管的性能，但是該文側重于分析二者在正向導通性能上的差異，僅比較了不同正向導通電流條件下的反向恢復特性差異。文獻[7]提到影響SiC MOSFET寄生二極管反向恢復特性的因素可分為器件內部參數和外部運行條件兩類，外部因素除了正向導通電流外還包括關斷電壓、換流斜率(di/dt)和結溫。文獻[8]探究了SiC MOSFET寄生體二極管在不同溫度下的相關特性，并探討了相關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性能如何，能否替代反并聯快恢復二極管直接作為續流通道，仍沒有得到系統的評估。

本文在此基礎上，首先詳細分析了SiC MOSFET的結構特點及寄生體二極管的反向恢復機理，然后通過雙脈沖實驗平臺和仿真分析，研究了不同正向導通電流和串聯寄生電感對SiC MOSFET寄生體二極管反向恢復性能的影響；此外，還進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二極管的反向恢復性能。

1 SiC MOSFET的結構及反向恢復機理

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

當寄生體二極管外加正向電壓VF時，PN結的內電場被削弱，漂移和擴散的動態平衡遭到破壞，擴散運動強于漂移運動，如圖1中箭頭所示，P區的多子(空穴)流向N區，N區的多子(電子)流向P區，進入N區的空穴和進入P區的電子就會成為該區的少子。這些多出來的少子依靠積累時濃度差在P區和N區之間進行擴散，被稱為非平衡少子。在擴散過程中，空穴同N區中的多子電子發生復合，與PN結邊界相距越遠，發生復合的空穴也就越多。正向導通時非平衡少子積累的這一現象通常被叫做電荷存儲效應。

圖1 SiC MOSFET內部結構圖

此時，若在寄生體二極管外突然加反向電壓，PN結內漂移運動就會強于擴散運動，上述P區存儲的電子和N區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)與多數載流子發生復合；(2)在反向電場的作用下，P區存儲的電子逐步回到N區，N區存儲的空穴逐步回到P區，由此產生反向漂移電流。

整個反向恢復過程可以細分為4個階段，如圖2所示[8]。

圖2 體二極管反向恢復特性曲線

(1)t0～t1階段。體二極管仍處于續流階段，PN結處于正向偏置，結電阻很小，勢壘區很窄，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結處耗盡層尚未形成，掃出的過量電荷繼續維持著反向電流；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結處等離子濃度已經衰減為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，反向恢復電流反向增大的速度di/dt開始逐漸減小；在t3時刻，反向電壓達到VDC，反向恢復電流的di/dt降為0，恢復電流達到反向最大值，即IRM。

(4)t3～t4階段。擴散到耗盡層的載流子開始繼續維持反向電流，因為等離子一直在耗散，導致空間電荷區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di/dt的速率逐漸減小；同時，體二極管所承受的反向電壓也將繼續增長，并在反向電流降為0的時候達到峰值VPM。t4之后，電路進入RLC自由振蕩階段，電流和電壓振蕩衰減至穩定值(圖2中有省略)。

2 實驗原理及分析

2.1 雙脈沖實驗平臺介紹

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

圖3 雙脈沖實驗原理圖

因為不能直接測得體二極管的反向恢復電流波形，所以采用在M2的漏極處測量電流ID的替代方法，相關波形如圖4所示。

圖4 測試點電流波形

2.2 反向恢復過程的電壓與電流計算

根據第1小節中分析，整個反向恢復過程分為4個階段。

在t0～t1，t1～t2兩個階段，體二極管從正向導通電流ID開始以一恒定的di/dt下降，因為M1體二極管的反向導通電阻很小，忽略不計，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，又因為M2開通速度很快，Vds的影響很微弱。

t2～t3階段，反向恢復電流繼續反向增大至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。

t3～t4階段，體二極管進入反向阻斷狀態，反向恢復電流開始減小,與之相并聯的寄生電容Cds開始被充電，且與串聯寄生電感L1發生諧振，相關方程組如下[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，呈指數衰減，同時產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,相同條件下該段時間越短，反向電壓尖峰就越大。

2.3 改變正向導通電流

SiC MOSFET寄生體二極管的反向恢復特性取決于器件內部參數和外部操作條件。器件內部參數由器件廠商決定，因此外部因素是需要研究的重點，而不同的關斷電壓和正向導通電流是器件最常見的外部因素[6，7]。在接下來的測試中，通過調節調壓器來改變SiC MOSFET關斷電壓，由2.1節可知，進而會改變寄生體二極管的正向導通電流，觀測寄生體二極管的反向恢復電流，波形如圖5所示。

圖5 不同正向導通電流下的反向恢復波形對比

對比圖5的電流波形發現：當體二極管承受的關斷電壓Vdc由225 V增大到375 V時，正向導通電流IF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可以看出反向恢復電流隨著正向導通電流增大而有所增大，這是因為掃出來的電荷量與正向導通電流幾乎成正比；但其對峰值電流IRM的影響很微弱，正向導通電流從15 A增大到25 A，而反向恢復電流峰值僅增加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寄生體二極管的優良性能。另外，雖然反向恢復電流的峰值不同，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實應用中不得不考慮的重要外部因素之一[9]。因為實驗條件限制，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寄生電感條件下SiC MOSFET寄生體二極管的反向恢復電流。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程序構建，串聯寄生電感L1分別取100 nH、150 nH和200 nH，體二極管的反向恢復電流如圖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波形對比

由圖6的仿真結果圖可以看到，寄生電感值越小，正向導通電流IF的下降速度di/dt就越大，這符合公式(1)的分析，對應的反向恢復電流的峰值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，導致相對應的反向恢復電流的振蕩就越嚴重，達到穩定狀態耗時就越長，這與仿真波形是相吻合的。因此，綜合考慮應盡可能的減小線路的寄生電感。

2.5 體二極管反向恢復特性對比

為了更好的測試SiC MOSFET體二極管的反向恢復性能，特意選擇和同電壓等級的Si MOSFET以及快恢復二極管做對比，三種器件的參數如表1所示。可調直流電壓源統一設定為300 V，保證正向導通時電流都為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，相關波形如圖7所示。

表1 三種二極管的主要參數對比

對比圖7波形可以發現：SiC MOSFET寄生體二極管性能和快恢復二極管相當，遠好于Si MOSFET，甚至在反向電壓浪涌方面還優于快恢復二極管。SiC MOSFET寄生體二極管和快恢復二極管的反向恢復速度極快，約70～80 ns，而Si MOSFET則為300 ns，遠高于前二者；SiC MOSFET寄生體二極管的反向恢復電流峰值最小，為3.5 A，快恢復二極管次之，為5 A，Si MOSFET寄生體二極管表現最差，高達18 A；同時，SiC MOSFET寄生體二極管反向恢復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二極管在反向過程中引起的電壓浪涌分別達到了原電源電壓的2.3～2.5倍，對器件安全構成很大的威脅；由公式(5)～(8)可知，反向恢復電壓、電流波形的振蕩與器件的寄生電感和電容有關，結合表1，Si MOSFET的寄生電容最大，因而振蕩最為嚴重。

圖7 三種二極管的反向恢復波形對比

3 結論

本文在詳細分析了新型功率器件SiC MOSFET的結構特點及體二極管反向恢復機理的基礎上，推導了反向恢復過程的電壓與電流計算。搭建了雙脈沖實驗平臺，探究了不同正向導通電流和串聯寄生電感對SiC MOSFET寄生體二極管反向恢復性能的影響，結果表明即使是在較大正向導通電流下，體二極管的反向恢復電流也在可接受的范圍內，而較大的寄生電感會引起反向恢復電流的劇烈振蕩。同時，還進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二極管的反向恢復性能，結果表明SiC MOSFET寄生體二極管的性能遠優于Si MOSFET的寄生體二極管，和快恢復二極管的性能相當。因此，SiC MOSFET寄生體二極管可以作為變換器中的續流通道而不必再額外的單獨反并聯快恢復二極管，但在應用過程中應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。

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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，研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用,E-mail:shimengdy@126.com。

TM20

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