快速开关二极管的作用（mosfet的开关速度）

概括

SiC MOSFET体二极管的关断特性与IGBT电路中的硅基PN二极管不同，因为SiC MOSFET体二极管具有独特的特性。对于1200V SiC MOSFET，输出电容影响较大，而PN二极管的双极性电荷影响较小。然而，在高温和高电流密度下，双极充电与电容充电一样重要，即使对于1200V 设备也是如此。在快速开关应用中，换向链路杂散电感会对体二极管关断产生重大影响，从而导致显着的浪涌电压和振荡。对于硅基PN二极管，关断损耗具体为反向恢复能量损耗。然而，对于SiC MOSFET，Erec和Qrr的传统计算方法可能会产生误导且与实际特性不一致的结果，因此Erec和Qrr不能指示器件的实际特性。本文探讨了SiC MOSFET 的独特特性以及影响体二极管关断特性的多重因素，并解释了SiC MOSFET 在快速开关应用中反向恢复损耗的概念。

1 简介

碳化硅(SiC) MOSFET 使电力电子电路能够以超快的开关速度运行，电压和电流转换速率分别远超100V/ns 和10A/ns。然而，半导体的开关性能不仅取决于器件的固有特性，而且在很大程度上取决于器件的外部电路和驱动条件。调整SiC MOSFET的外部电路可以显着改善其动态特性[1]。

在讨论SiC MOSFET的动态特性时，焦点往往集中在SiC MOSFET本身的开通和关断特性上。关于SiC MOSFET 体二极管动态特性的论文很少[2][3]，并且相关标准和数据表中也没有完全涵盖该主题。由于SiC MOSFET在导通状态下可以传导正电流和负电流，因此体二极管通常只需要在很短的死区时间内传导电流。当负载电流从即将关断的器件换流到另一个已关断的SiC MOSFET 的无源体二极管时，存在死区时间。一旦换向器开关再次打开并接管负载电流，体二极管将自行关断（比较图1）。体二极管关断是一种被动行为，因为它总是由另一个由正栅极电压脉冲主动导通的SiC MOSFET 触发。

图1：体二极管关断示例的简化电路图。

体二极管是一种PN 二极管，可在传导电流时积聚电子空穴等离子体[4]。当体二极管关闭时，双极等离子体电荷被扫出二极管的漂移区，并建立空间电荷区以阻挡总线电压。此外，空间电荷区产生电容Coss。关闭期间，Coss 充电至Vdc。 PN 二极管的这种关断过程通常称为反向恢复，由双极性电流和电容电流驱动。

2. 体二极管关断特性

SiC材料的介电强度约为硅(Si)的10倍。因此，SiC器件阻挡一定电压所需的漂移区厚度比硅基器件薄得多。虽然硅基器件和SiC器件的原理相同，但对于相同电压电平的器件，双极电荷与电容电荷的比例却有很大不同。简单地说，1200V SiC MOSFET 的体二极管在导通期间存储的双极电荷比1200V 硅基二极管少，并且截止状态下的耗尽层电容远高于1200V 硅基二极管（这是由于到较薄的漂移层）。电容性电荷与双极电荷的实际比率在很大程度上取决于阻断电压。

图2是Si二极管反向恢复特性的简化示意图。硅二极管的开关速度取决于电子空穴等离子体从其漂移区去除的速率。一旦PN 结处的等离子体浓度为零，二极管就会产生电压。关断时的静电荷称为反向恢复电荷，可以根据瞬态电流波形计算：

反向恢复电荷是半导体器件的一个特性，它由双极电荷Qbip和电容电荷Qoss组成。 Qbip 是存储的双极电荷，在关断过程中被清除。 Qoss 是输出电容器Coss 充电至直流母线电压时产生的电容电荷。

与(1)类似，反向恢复过程的能量按下式计算：

当二极管漂移区的电场持续增加时，Ebip 主动消除双极载流子产生的能量。这种双极性能量在反向恢复期间会损失，并有助于二极管升温。 Eoss 是将输出电容器Coss 充电至直流母线电压所需的电容能量。该能量不会在二极管内以热量的形式损失，因为它仅在二极管关闭时存储在Coss 电场中。该能量通常在体二极管再次导通后恢复。

图2：慢速硅基PN 二极管关断特性的简化原理图。

两个主要参数可用于清楚地区分SiC MOSFET 体二极管与配置有反并联硅基PN 二极管的Si IGBT 器件的关断特性，即Qoss/Qbip 比和开关速度。

由于较高的Qoss/Qbip比，SiC MOSFET体二极管（尽管是PN二极管）的动态特性很大程度上取决于其电容特性。这适用于1200V 及以下的电压等级。对于更高的电压电平，Qbip 在该比率中变得更大。对于电压等级1200V的硅二极管，其动态特性主要由二极管的双极特性决定。然而，如后面所示，在大电流和高温条件下，SiC MOSFET体二极管的双极特性更加明显。

第二个参数是开关速度。当SiC MOSFET 体二极管在高电感环境中工作时，开关速度尤其重要。稍后将更详细地探讨这个重要参数。

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