混合碳化硅分立器件的特性与优点

引 言

IGBT分立器件一般由IGBT和续流二极管(FWD)构成，续流二极管按材料可分为硅材料和碳化硅材料，按照器件结构可分为PIN二极管和肖特基势垒二极管(SBD)。材料与结构两两组合就形成了4种结果：硅PIN二极管、碳化硅 PIN二极管、硅肖特基二极管、碳化硅肖特基二极管。在本篇文章中我们将重点阐述碳化硅肖特基二极管作为续流二极管的混合碳化硅分立器件(后文简称为混管)的特性与优点。

目前市面上主流的IGBT产品其续流二极管为快恢复二极管(FRD)，是上文提到的硅PIN二极管的一种，因此混管使用的碳化硅SBD与硅FRD在材料和结构上都有所不同，在此分别对其进行比较。在相同的结构中，碳化硅材料的耐压特性表现要远远强于硅材料;相同的材料下，快恢复二极管FRD可以比肖特基势垒二极管SBD承受更高的电压。因此在耐压特性表现上可以得出碳化硅FRD>碳化硅SBD>硅FRD>硅SBD，而由于碳化硅SBD的耐压能力可以轻松达到1200V以上，基本可以满足大部分市场需求，所以碳化硅FRD并不常见。下图为相同IGBT分别搭配硅FRD与碳化硅SBD的双脉冲测试示意图，以及在不同电压下的开通关断过程中的器件损耗数据对比。

图1 双脉冲测试示意图

图2 VDC=600V，Tj=25℃ 动态数据

图3 VDC=800V，Tj=25℃ 动态数据

从表中数据可以看出，相同的电压等级下，混管的关断损耗与传统IGBT相差不大，但开通损耗要比传统IGBT小30%~40%。同时当VDC从600V 增加到800V时，传统IGBT的总损耗增大了50%，而混管的总损耗只增大了25%。

混管的SBD内部结构中载流子多子为电子，硅FRD内部结构中载流子为电子和空穴，因此相比于硅FRD，碳化硅SBD的关断速度更快，且几乎没有反向恢复与正向恢复现象。而评估硅FRD的关键参数就是反向恢复电荷Qrr和反向恢复时间Trr。Qrr越大，Trr越大，产生的损耗也就越大，硅FRD的Qrr和Trr都会随着温度升高而增大，也意味着反向恢复行为变差。下图是高结温下的混管与传统IGBT在开通关断过程中的器件损耗数据情况。

图4 VDC=800V，Tj=100℃ 动态数据

将高温下数据与前文常温下数据进行对比可以看出，当产品的工作温度上升，不论是硅FRD还是碳化硅SBD都会有开关损耗上升的现象。但分开看开通损耗和关断损耗时，两种产品的关断损耗随温度上升增加的幅度是接近的，而开通损耗随温度变化的差异却十分明显，混管的增加幅度不到10%，传统IGBT的开通损耗随温度上升增加了35%左右。

综上所述，在强调低开关损耗、高结温的场合下，混管比传统IGBT有着更出色的表现。因此，当您在进行相关方案设计时，为进一步减小器件的开关损耗，建议选择基本半导体混合碳化硅分立器件，产品列表如下：

审核编辑：汤梓红