揭秘SiC肖特基二极管的关断电容效应

/引言/

碳化硅（SiC）器件凭借其出色的电气和热性能，正在逐步取代传统硅（Si）器件，成为高效能电子系统中的新宠。那么，SiC到底有何独特之处？特别是在反向恢复特性方面，它们又是如何改变游戏规则的呢？让我们一探究竟！

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什么是反向恢复？

在传统硅功率器件中，反向恢复现象主要与它们内部的寄生二极管有关，指二极管从导通状态（正向偏置）切换到反向阻断状态（反向偏置）时，产生的短暂反向恢复电流和反向恢复时间的现象。

其形成主要是由于在器件导通状态下，载流子（电子和空穴）积累并注入到两极之间的电荷存储区域。当电压反转时，这些存储的电荷需要先被移除或复合，才能使器件完全进入反向阻断状态。为了移除这些载流子，会出现一个反向电流，这就是反向恢复电流，这个过程持续的时间就称为反向恢复时间，时间长短主要取决于器件内部载流子的存储量、载流子的复合速度和扩散速度，温度等因素。这个反向恢复电流会叠加到换流开关管的开通过程中，形成开关管的开通电流尖峰。

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SiC器件是否存在反向恢复现象？

现在问题来了：SiC器件到底有没有反向恢复现象呢？

在回答这个问题之前，先来看几张实验波形，如图1(a)、1(b)、1(c)，采用如图1(d)所示的双脉冲测试平台进行双脉冲测试所得，其中红色波形显示的是流过开关管的开通电流，黑色波形是开关管两端的电压。

(a)SIC MOS + SI Diode

(b)SIC MOS + SIC Body Diode

(c)SIC MOS + SIC Schottky Diode

(d)双脉冲测试平台示意图

图1. 不同组合下换流，开关管的开通电流波形

可以看到无论是采用Si二极管、SiC-MOS的寄生二极管，还是SiC的肖特基二极管进行换流，都观察到在开关管上的开通电流尖峰。这是不是意味着无论Si还是SiC都存在反向恢复的问题呢？

为了澄清这个问题，需要回到前面阐述的二极管反向恢复的机理。反向恢复主要是由于少数载流子的存储效应导致的。Si二极管以及SiC-MOS的寄生二极管因为都是双极性导电结构，因此存在反向恢复效应。而肖特基二极管采用的是单极性载流子器件，因此SiC的肖特基二极管没有少数载流子存储效应，反向恢复现象应该是不存在的。

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SiC肖特基二极管换流时，

开关管开通电流尖峰形成原因？

如前述分析，SiC肖特基二极管应该不存在反向恢复现象，但是为什么采用SiC肖特基二极管换流时，开关管依然存在开通电流尖峰？为了方便分析这个问题，基于Spice模型搭建仿真平台进行分析，如图2所示。

图2(a). 基于Spice的仿真平台

图2(b). 基于Spice的仿真波形

从图2(b)的仿真，可以观测到与实测类似的波形，即SiC-MOS与SiC肖特基二极管换流时，存在开关管开通的电流尖峰。进一步分析，肖特基二极管可以等效为如下图3所示的二极管与寄生电容并联的结构。

图3. SiC肖特基二极管的等效图

通过查询SiC肖特基二极管IDW30G120C5B的手册，寄生电容如表1所示。在二极管两端电压为800V时，其寄生电容为111pF。考虑这个因素，并联额外电容Ca，如图4(a)所示。考虑Ca（none, 100pF, 200pF, 300pF）来模拟不同寄生电容对开通的影响，其仿真结果如图4(b)所示。

表1. IDW30G120C5B的寄生电容

图4(a). 额外并联电容来模拟不同寄生电容的Spice仿真电路

图4(b). 考虑肖特基二极管的寄生电容的Spice仿真电路

表2. 不同的Ca下的仿真结果汇总

根据图4(b)以及数据汇总表2，可以看到越大的等效寄生电容Ca，会造成越大的开关管的电流尖峰。因此，在选择SiC器件时，寄生电容是一个重要参数。

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结论

综上所述，尽管SiC肖特基二极管理论上不存在反向恢复电流，但由于寄生电容的存在（包括二极管的输出电容Coss和系统寄生电容，如PCB的寄生电容），在上下桥臂换向过程中，续流桥臂的寄生电容充电电流会叠加到开关器件上，产生类似于反向恢复电流的效应。这可能会导致开关管导通时的电流应力增加。

因此，在设计时需要特别关注尽可能减小系统的寄生电容。通过优化PCB布局和选择合适的器件，可以最大限度地降低寄生电容带来的负面影响，从而提高系统的可靠性。