务Ｉ 訇 化 碳化硅肖特基二极管仿真模型及其在自动化 装置中的应用 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｐｏｗｅｒ ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｄｉｏｄｅ 郝夏斐，潘三博 ＨＡＯ Ｘｉａ．ｆｅｉ．ＰＡＮ Ｓａｎ．ｂｏ （安阳师范学院，安阳４５５００２） 摘要：根据碳化硅肖特基二极管半导体物理结构，在测量碳化硅二极管特性参数的基础上研究其静、 动态性能及计算机仿真模型。针对其低的通态电阻、反向阻断电压高、高频率、存储电荷少的 特点，在适合其应用的太阳能最大功率跟踪电路以及作为ＩＧＢＴ器件的续流二极管电路上研究了 其反向恢复特性及对电路效率的提高。实验结果验证了模型的准确性与应用的优越性。 关键词：碳化硅；肖特基二极管；仿真模型；效率 中图分类号：ＴＮ３２３ 文献标识码：Ａ 文童编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ １）６（下）－ｏｌ ２３－０３ Ｄｏｉ：’０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１１．６（下）．３９ ０引言 碳化硅肖特基功率二极管经过１０—１５年的 阻与接触电阻，Ｃ、，为等效电容。其中，Ｒ 与ＲＣ 很小，可以忽略，ＲＤ占等效电阻的主要部分。 ｌ金属层 Ｎ一漂移区 Ｎ＋衬底 接触层 研究，已经成功从实验室走向商业化应用。当前 德国Ｉｎｆｉｎｅｏｎ，美国Ｃｒｅｅ、Ｓｅｍｉｓｏｕｔｈ，日本三菱 等公司都提供相应的器件，在高性能的国防、工 业自动化、汽车电子领域等得到了广泛的应用…。 由于其具有耐压高、开关速度高、通态电阻低、 耐高温及良好的反向恢复特性等优点，碳化硅肖 特基功率二极管特别适合应用于光伏最大功率跟 踪电路 ，作为Ｂｏｏｓｔ电路的快恢复二极管，它能 图ｌ 碳化硅二极管结构与等效电路图 显著提高开关频率，减小电感、电容等无源元件 的大小与尺寸，减小装置成本，提高装置的效率。 设① 为金属与ｎ型半导体的势垒高度，Ｔ为 绝对温度，ｑ是电子电量，ｋ为玻尔兹曼常数，ｍ 为电子质量，￡为导电常数，Ｎ 为衬底掺杂密度， Ｖ 为击穿电压，Ｅ 为击穿场强， 为电子迁移率， 本文从二极管器件的正向导通压降、导通电 阻、等效结电容等静态、动态参数的半导体模型 出发，建立了碳化硅肖特基功率二极管的ｐｓｐｉｃｅ 仿真模型。详细分析了器件应用于太阳能最大功 率跟踪电路，以及作为反并联续流二极管用在 ｈ为普朗克常数，Ｃ为理查森常数，则 ｃ＝４ｍｎｋ ｑ／ｈ 流过肖特基二极管的电流Ｉ 为： ！ｆ ＝如！ （１） （２） ＩＧＢＴ模块中的工作特性。通过计算与测量分析了 它在提高效率方面的作用。该器件已经在国防，电 动汽车方面得到应用，而且将会在光伏变换器，功 率因数校正及变频家用电器方面得到广泛的应用。 Ｉ ＝ＣＴ ｅ ｋＴ ＝ ＋１碳化硅二极管仿真模型 图ｌ为碳化硅肖特基功率二极管的半导体结 构与等效电路图。从图中可以看出，器件由金属 层、漂移层与衬底组成 ，其中。ＶＦＢ为肖特基 势垒压降，ＲＤ是漂移层电阻，Ｒｓ与Ｒｃ是衬底电 收稿日期：２０１ｌ－０２－１０ 等－曰 ＼ｎ（苦 乙』 ／ ㈥ 象 ‘ｍｒ¨ （４） Ｖ 由耗尽层的宽度 ＝ 、Ｊ｛ —２ｅ（ＶＲ—＋｛ｂ８）得： 第３３卷第５期２０１１－６（下） ［１２３］ 作者简介：郝夏斐（１９７５一），女，河南禹州人，讲师，研究方向为计算机仿真与应用。 参ｌ 匐 似 ￡ 以看出，碳化硅肖特基二极管工作于光伏最大功 （５） 参考器件手册，建立一个１０Ａ／１２００Ｖ的碳化 率跟踪主电路或功率因数校正主电路时，能显著 提高电路工作频率，进而减小电感、电容等储能 元件的大小与尺寸，对减小体积与节省成本有较 硅肖特基二极管的ｐｓｐｉｃｅ模型为： ．Ｍ０ＤＥＬ ｌ０Ａｌ２００ＶＳＩＣ Ｄ ｆＩＳ＝１０．４５Ｅ一２１ －ｔ－Ｎ＝．６８ ＲＳ＝５８．９Ｅ一３ ＩＫＦ＝Ｉ．８６Ｅ一３ ＋ＣＪＯ＝１．３２Ｅ．９ Ｍ＝．４３ ＶＪ＝．４０ ＋ＩＳＲ＝５６０．７６Ｅ一９ ＮＲ＝５．０ ＢＶ＝ｌ－３Ｅ３ －ｔ－ＩＢＶ＝．６４７ ＴＴ＝１０８．５７Ｅ一１２）． ２碳化硅器件的典型应用 碳化硅二极管由于反向储存电荷比较少，其 优点包括极快的开关速度、极宽温度范围中良好 的恢复特性、正向压降有正温度系数易于并联等。 这使得碳化硅二极管特别适用于高频应用，如光 伏最大功率跟踪变换器中的快恢复二极管，桥式 功率模块中的续流二极管等。 ２＿１最大功率跟踪变换器应用 如图２所示，碳化硅二极管适宜用于光伏最 大功率跟踪主电路或功率因数校正主电路作为快 恢复二极管。 图２快恢复二极管应用及电流，下意图 设ＩＤａｖ为二极管电流平均值，Ｉ 为二极管 电流有效值，Ｍ为占空比，０为正弦相位角，二极 管的导通损耗ＰＣ为： ＝ＩＤ ・ｙＦＢ＋Ｉ ・ＲＤ ０６１ ＝，（ 一 ］可得 ｖ， １ ）＋ＩＺＲｏ（吉一 ］（７） 取１２００Ｖ／２５Ａ的硅快恢复二极管与碳化硅二 极管在图２中５０％的占空比相比较。因为在结温 １２５℃，直流电压为６００Ｖ时，每个周期的关断损 耗硅二极管为０．２ｍＪ，而碳化硅二极管为０．０４ｍＪ。 所以达到器件壳温８０℃时，硅二极管只能工作于 ２０ｋＨｚ，而碳化硅二极管可以工作于２００ ｋＨｚ。可 ［１２４１ 第３３卷第５期２０１１－６（下） 大作用。 ２．２桥式功率模块应用 由于开关速度快，损耗小，耐高温，罗克韦 尔自动化等公司研究在其传动产品中使用碳 化硅二极管代替硅二极管的桥式功率模块Ｈ］，电 路如图３所示。损耗对比如图４所示。 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ ０ ０ ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ Ｏ 图３ 块中的 ．．．． 吕 、一 ．．．． 开通损耗 关断损耗 反向恢复损耗 图４模块中硅与碳化硅二极管的损耗对比 采用碳化硅二极管后，基本能消除二极管的 反向恢复损耗。同时把二极管的反向恢复时间从 数百纳秒减少到数十纳秒，从而减少死区与失真， 还能显著减少ＩＧＢＴ的开通能耗５０％左右。无反 向恢复电流同时使得开关的ＥＭＩ减小，能提高装 置效率，减小滤波器的体积，减小散热的需求。 ３仿真与实验研究 选取以下参数：Ｅ －－．２２００ｋｖ／ｃｍ，Ｅ：ｌ０．１， ①Ｂ＝１．２５ｅＶ，Ｃ＝１４６Ａ・ｃｍ～・Ｋ 建立器件 的仿真模型，得到图５器件的导通电阻仿真结果， 图６为电流为１０Ａ，反向电压为４００Ｖ时测得的硅 务ｌ 功率二极管与碳化硅功率二极管的电流反向恢复 对比曲线。图７为由采用碳化硅二极管组成的桥 式模块逆变器与采用硅二极管组成的桥式模块逆 变器的效率对比。 勺 化 、一 电压（Ｖ） 图５不同二极管导通电阻仿真对比 ＾一 蚺ｊ Ｉ ５Ａ 格 Ｓ１一 极管 口蹦 ≈— ＼ｌ Ｓ Ｃ二枥 ・管 ５０ｎｓ： 各 图６不Ｉ司二极管反向恢复特性测试曲线 图５显示，碳化硅肖特基二极管在较宽的电 压范围内具有比硅二极管小得多的通态电阻。图６ 表明，碳化硅肖特基二极管与硅二极管相比，具 有良好的反向恢复特性。图７则表明在一定功率 输出时采用碳化硅二极管组成的桥式模块逆变器 与采用硅二极管组成的桥式模块逆变器的损耗相 比减少了约３３％。 书｛Ｌ 输出功率（ｋｗ） 图７不同桥式模块二极管组成逆变器的效率 ４结论 本文通过在对碳化硅肖特基功率二极管的静 态、动态特性进行半导体物理分析的基础上建立 了计算机仿真模型，仿真分析了器件的通态电阻 与反向恢复波形，结合实验测试进行了验证。并 研究了不同二极管组成的ＩＧＢＴ模块逆变器的效 率。仿真结果与测试结果相一致，表明模型的建 立理论上是正确的，仿真与测试结果还表明碳化 硅肖特基功率二极管具有低通态电阻、良好的恢 复特性。这使得碳化硅二极管非常适合应用于光 伏最大功率跟踪变换器中的快恢复二极管，桥式 功率模块中的续流二极管等。 参考文献： 【１】Ｐ．Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ．Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ—ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｕｐｃｏｍｉｎｇ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，１－１ １． ［２】Ｄｉｅｔｉｒｃｈ Ｓｔｅｐｈａｎｉ．Ｔｈｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＳｉＣ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ａｓｐｅｃｔｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ【Ｃ］．ＩＥＥＥ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆ．，２００８，５９６—６００． ［３］苗永斌，张玉明，张义门．碳化硅ＭＰＳ：新一代功率开关 二极管［Ｊ１＿微电子学，２００４，３４（２）：１１６—１２１． ［４】Ｇ．Ｓｋｉｂｉｎｓｋｉ，ｅｔｃ．，Ｉｎｖｅ ｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｉ—ＳｉＣ ２５Ａ／１２００Ｖ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅｓ［Ｃ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆ．，２００４：５６—５９． 第３３卷第５期２０１１－６（下） ［１２５１
