如何有效地测量Sic MOSFET

随着宽带隙半导体技术变得越来越流行，正在执行不同的耐久性测试来评估二极管在高温和严酷电流循环条件下的运行情况。毫无疑问，电力电子在未来几年内将继续在基础组件方面发展。与传统硅材料相比，采用碳化硅 (SiC) 的新型半导体材料能够提供更好的导热性、更高的开关速度和更小的器件尺寸，因此备受推崇。这就是为什么 SiC 开关已成为设计人员的喜悦。

碳化硅二极管多为肖特基二极管。第一个商用碳化硅肖特基二极管是在十多年前推出的。从那时起，这些设备已被集成到许多电源系统中。二极管升级为 SiC 功率开关，如 Jfet、Bjt 和 Mosfet。目前可提供击穿电压为 600-1700 V、额定电流为 1 A-60 A 的 SiC 开关。这里的重点是如何有效地测量 Sic MOSFET。

图 1：第一个商用 SiC MOSEFT，CMF20120D

碳化硅二极管

最初，可用的是简单的二极管，但随着技术的发展，升级了 JFET、MOSFET 和双极晶体管的生产。碳化硅 (SiC) 肖特基二极管具有更高的开关性能、效率、功率密度和更低的系统成本。这些二极管提供零反向恢复、低正向压降、电流稳定性、高浪涌电压能力和正温度系数。

新型二极管面向各种应用的电源转换器设计人员，包括光伏太阳能逆变器、电动汽车 (EV) 充电器、电源和汽车应用。与硅相比，它具有更低的漏电流和更高的掺杂。一个重要的特性是高温下的行为：随着温度的升高，硅的直接表征发生了很大的变化。碳化硅是一种非常坚固可靠的材料。然而，在 SiC 的情况下，它仍然局限在小范围内。

让我们检查一个 SiC 二极管

待测试的 SiC 二极管原型示例是 ROHM 的 SCS205KG 型号，这是一款 SiC 肖特基势垒二极管（图 2）。以下是其一些最重要的功能：

• 电压：1200 伏；
• 如果：5 A（+150°C）；
• 浪涌非重复正向电流：23 A（PW=10ms 正弦波，Tj=+25°C）；
• 浪涌非重复正向电流：17 A（PW=10ms 正弦，Tj=+150°C）；
• 浪涌非重复正向电流：80 A（PW=10us square，Tj=+25°C）；
• 总功耗：88 W；
• 结温：+175°C；
• TO-220AC 封装。

图 2：ROHM 的 SCS205KG 碳化硅二极管

这是一个非常强大的组件，具有很短的恢复时间和高速开关。其官方 SPICE 模型允许在任何条件下对组件进行仿真。

* SCS205KG
* SiC 肖特基势垒二极管模型
* 1200V 5A
* 模型由 ROHM 生成
* 版权所有
* 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

正向电压

第一个测量操作涉及 SiC 二极管的正向电压。如图 3 所示，这是测试的简单电路、其三维表示以及在不同工作温度下有关正向电压的组件数据表的摘录。

图 3：测试 SiC 二极管正向电压的测试示意图

测试接线图包含串联连接的肖特基 SCS205KG SiC 二极管，该二极管具有约 6.7 欧姆的非常强大的电阻，其大小允许 5 A 的电流通过电路。电源电压设置为 36 V。为了更好地优化散热和散热，我们使用了十个 67 欧姆电阻器，并联连接，以模拟单个 6.7 欧姆电阻器。每个电阻的功率必须至少为 20 W。肖特基二极管 SCS205KG 的数据表确定了组件在各种工作温度下的以下电压：

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

这些特性解释了二极管两端的电压如何高度依赖于其温度。因此，设计人员必须尽可能地抑制这种电压波动，因为它会改变最终系统的行为。现在，使用 SPICE 指令在 0°C 到 200°C 的温度范围内进行 DC 扫描模拟，该模拟涉及测量功率二极管两端的电压：

.DC 温度 0 200 25

仿真返回二极管在不同温度下的以下电压值，完全证实了数据表提供的指示。彩色单元格包含文件中报告的测试温度。

温度°C	二极管上的测量电压
25	1.40
40	1.45
50	1.48
75	1.54
100	1.60
125	1.70
150	1.80
175	1.90
200	2.00

表 1：温度与测量电压的关系

如图 4 所示，绿色曲线图显示二极管阳极上 36 V 的固定电压，黄色曲线图显示阴极上的电压，具体取决于温度。这种电位差构成了“正向电压”。仍然在同一幅图中，由于阳极和阴极电压之间的代数差，可以观察到元件上的电位差。此测试必须仅执行几秒钟。

图 4：仿真在时域上测量 SiC 二极管的正向电压

容抗

第二个测量操作涉及 SiC 二极管的容抗。让我们看一下图5，其中我们可以看到测试的简单电路及其三维表示。

图 5：测试 SiC 二极管容抗的测试示意图

电气图包含串联连接的肖特基 SCS205KG SiC 二极管，其电阻非常低，约为 0.1 欧姆。此外，还有一个与二极管并联的第二电阻器。它的价值非常高。电源电压是一个设置为 1 V 的正弦源。对于这个测试，我们可以执行 AC 模拟，这涉及在 200 kHz 和 2 MHz 之间的频率域中测量功率二极管的容抗，使用SPICE 指令：

.AC lin 1000 0.2Meg 2Meg

模拟（见图 6）在正弦源的不同频率下返回不同的容抗。

图 6：仿真在频域上测量 SiC 二极管的容抗。二极管就像一个小电容器，其容量取决于它所承受的频率。

为了测量二极管的容抗，我们使用以下公式，如图 7 所示。它发生在频域中的交流电中。

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

图7：计算二极管容抗的公式

二极管可以用电容器代替，以实现真实的和真实的组件来执行另一个模拟。

反向电流

第三个测量操作涉及 SiC 二极管的反向电流。让我们看一下图 8，其中包含测试的简单电路、其三维表示以及涉及不同温度下的反向电流的组件数据表的摘录。

图 8：测试 SiC 二极管反向电流的测试示意图

电气图包含串联连接的肖特基 SCS205KG SiC 二极管，其电阻非常低，约为 0.1 欧姆。电源电压是设置为 1200 V 的正弦源。二极管以反向模式连接。对于此测试，可以使用 SPICE 指令执行 DC 模拟（扫描），其中包括在 +20°C 和 +200°C 之间的温度域中测量流过二极管的反向电流：

.DC 温度 20 200 1

在图 9 中，图表显示二极管上流动的反向电流很小，随温度变化。

图 9：模拟测量温度域上 SiC 二极管上的反向电流

图 10（V 与 I）显示了反向电流图，与施加到二极管的电压有关，在 +25° C 的固定温度下，介于 0 V 和 1200 V 之间。

图 10：在 +25° C 的温度下反向电流与施加到二极管的电压的关系图。

结论

SiC 二极管的特点是恢复时间非常快。这允许更高的开关速度和更小的磁性和其他无源元件的尺寸。最终设备可以具有更高的功率密度。它们还为电源开关应用提供了在效率和热性能方面的显着优势。这些组件可以在更高的温度下运行。温度是改变电子元件工作条件的重要因素。执行真实测试（使用真实 SiC 组件）和仿真可能会很有趣，以评估仿真器的有效性和实用性，尤其是 SPICE 模型的有效性和实用性。

审核编辑：汤梓红