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SiC功率元件

SiC蕭基特二極體

所謂SiC-SBD-與Si-PND的正向電壓比較

前次比較了SiC-SBD和Si-PND的反向恢復特性。接下來要就二極體最基本的特性,進一步說明順向電壓VF特性的差異。

SiC-SBD和Si-PND的順向電壓特性差異

二極體的順向電壓VF雖然以無限接近零且對溫度呈安定狀態為理想,不過理所當然並非為零,也會因溫度而產生變動。為使大家理解SiC-SBD的VF特性,接下來與Si-PND的FRD(高速整流二極體)進行比較。

SiC_2-3_vfcompa

上圖是SiC-SBD和Si-FRD的VF特性對順向電流IF。測量資料的溫度條件從25℃到200℃共8個階段。

SiC-SBD雖然溫度上升時IF開始流動的VF會若干降低,不過由於阻抗上升,故傾斜度會變緩和,在一般使用領域的IF下VF會上升。

Si-FRD在溫度上升時VF會單純降低。如圖形所示,可以看出即使在任何溫度下傾斜度都大致相同,VF維持原狀降低。

這些特性視各物性或構造而定,各有其長短。說到剛才所談論的理想二極體,雖然Si-FRD的VF在高溫下降低可以視為導通損失減少的優點,不過VF降低的同時IF會増加,即使損失若干降低也會使發熱明顯増加,有可能進而陷入VF降低IF増加等熱失控(thermal runaway)狀態。

反之,SiC-SBD在高温下VF會變高,故不會產生熱失控,不過缺點是VF會上升,IFSM(瞬間大電流耐受量)將低於Si-FRD。

SiC-SBD的VF特性改善

為使具優越素性﹙origin﹚的SiC-SBD特性提升進而容易使用,降低VF的新一代產品正在研發中,亦即ROHM的第2代系列。相對於ROHM第1代產品及他社類似產品的VF在IF=10A時為1.5V,第2世代產品的VF可以降低為1.35V,参考値則如25℃和125℃時IF vs VF的圖表所示。

SiC_2-3_vf25
SiC_2-3_vf125

紅色圖形為ROHM第2代SiC-SBD的VF特性。

trr和VF的損失相關考察

這次雖然說明了SiC-SBD和Si-FRD的VF特性差異,不過我想連同上次的trr特性在內一起思考看看損失問題。

為了說明SiC-SBD而就trr和VF特別與Si-PND(FRD)做比較是有理由的。左下圖是本章最初在說明Si二極體和SiC二極體耐壓範圍時所使用的圖表,重點在於Si-PND/FRD和SiC-SBD的含蓋範圍大致相同,可以使用於相同的應用程式。SiC-SBD由於是新的元件,換句話說,目前Si-PND/FRD所含蓋的領域基本上可以說能夠以SiC-SBD來取代。

尤其是著重高速性的應用程式等,在選擇Si-FRD或SiC-SBD做為最佳二極體時,有必要理解雙方的特性。而且,在討論事項中,將「降低損失」列為最重要課題也是無庸置疑的事。

上次的trr相當於切換損失,此次的VF則為導通損失。有關Si-FRD和SiC-SBD雙方的損失如右下圖表所示。

SiC_2-3_cover
SiC_2-3_vftrr-1

trr越快VF越低,則總損失就越小。Si-FRD若trr高速的話,VF也會變高。相對的,第2代SiC-SBD在維持傳統SiC-SBD的高速trr下將VF從1.5V降低為1.35V。

就現況來說,在功率系Si-FRD和SiC-SBD中,第2代SiC-SBD是最有可能性能夠降低損失的。

重點:

・SiC-SBD的VF在高溫下會上升,而Si-PND(FRD)的VF則會降低。

・高溫中SiC-SBD的VF上升雖然使IFSM降低,但不會像VF降低的Si-PND(FRD)那樣發生熱失控(thermal runaway)。

・第2代SiC-SBD會降低VF,可以說是目前對降低損失最有貢獻的功率二極體。


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