作者:海飞乐技术 时间:2018-08-20 17:39
近些年,碳化硅(SiC)半导体器件因其材料具有击穿电场高、载流子饱和漂移速度快、热稳定性好及热导率高等优势,可提高电力电子变换器的性能,引起了国内外学者的广泛关注。
表1 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的器件参数
图1为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2不同栅电压(VGS或VGE)的I-V输出特性曲线。如图1a所示,CMF20120D的VGS大于18V之后特性曲线的斜率变化较小。如图1b所示,IPW65R065C7的VGS大于8V之后特性曲线的斜率基本不变,VGS为10V和20V的特性曲线重合。如图1c所示,IKW25N120T2的VGE大于13V时特性曲线的斜率基本不变,VGE为17V和20V的特性曲线重合。CMF20120D的饱和区与线性区的拐点没有IPW65R065C7和IKW25N120T2清晰。上述现象源于三种器件的不同的跨导特性,如图2所示。 CMF20120D的跨导系数(gfs)最小,沟道迁移率最低,VGS较高时才能获得低导通电阻。为了保证CMF20120D具有低通态损耗,其驱动电压要高于18V,与Si半导体器件不同。
图1 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的I-V输出特性
图2 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的跨导特性
图3a、图3b和图3c分别给出了CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的Ciss,Coss和Crss随器件电压(VDS或VCE)变化的曲线。IKW25N120T2的Ciss最小,其VGE响应最快,驱动损耗最小。IPW65R065C7的Coss最小,其关断时Coss存储能量最小(器件开通时,Coss存储的能量转化为开通损耗)。IPW65R065C7的Crss最小,其VGS的密勒平台时间最短,dv/dt最大。
图3 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的Ciss,Coss和Crss
2. 开关特性对比 图4为基于Buck变换器的测试平台,用于测试CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2 的开关特性。二极管VD为SiC肖特基二极管C4D20120A,其器件参数见表2。SiC肖特基二极管无反向恢复特性,用于限制被测器件(Device Under Test,DUT)开通时的电流尖峰。Buck变换器的测试条件见表3。驱动电路框图如图5所示,使用Avago公司的ACPL-4800光耦隔离芯片和IXYS公司的IXDN609SI驱动芯片,驱动电路的负压通过三端稳压器LM337调节。根据器件的静态特性,设计CMF20120D的驱动电压为+18/−3,IPW65R065C7和IKW25N120T2的驱动电压为+15/−3。
图4 基于Buck变换器的测试平台
表2 C4D20120A的器件参数
表3 测试平台的测试条件
图5 DUT的驱动电路
图6所示为Buck变换器的输出电流为7A时,CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开通和关断的波形。IKW25N120T2的VGE响应速度最快。CMF20120D的开通延迟时间和关断延迟时间最短。IPW65R065C7的电压电流变化时间最短,但其开通电流尖峰和关断电压尖峰最大。IKW25N120T2关断拖尾现象严重。
图6 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关波形
图7为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关时间随RG变化的曲线。td(on)为开通延时时间,ton为产生开通损耗的时间,即器件开通时电压电流的交叠时间,td(off)为关断延时时间,toff为产生关断损耗的时间,即器件关断时电压电流的交叠时间。测试结果显示,RG越大,开关时间越长。CMF20120D的开通延时间和关断延时时间最短,IPW65R065C7和IKW25N120T2的关断延迟现象比较严重。CMF20120D产生开通损耗的时间最长,IPW65R065C7最短。IPW65R065C7产生关断损耗的时间最小,CMF20120D与其相近。IKW25N120T2因其关断拖尾现象,产生关断损耗的时间最长。
图7 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关时间
图8为Buck变换器的输出电流不同时,CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关损失能量。Eon为开通损失能量,Eoff为关断损失能量。
图8 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开关损失能量
测试结果显示,随着负载电流增加,开关损失能量增加。CMF20120D开通损失能量最大,IPW65R065C7最小。IPW65R065C7的关断损失能量最小,CMF20120D与其相近。IKW25N120T2的关断损失能量最大。 图9为Buck变换器的输出电流不同时CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开通di/dt和关断dv/dt。测试结果显示,IPW65R065C7的电压电流变化率最大,IKW25N120T2最小。
图9 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的开通di/dt和关断dv/dt
表4为CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2内部二极管的静态参数。其中IKW25N120T2的内部二极管为出厂前封装在内的Si快恢复二极管。图10为测试二极管反向恢复特性的电路图。图11为三种器件内部二极管及SiC二极管C4D20120A的反向恢复电流测试结果,此处测试结果包含二极管结电容充电电流。测试结果显示,CMF20120D的内部二极管的反向恢复电流最小,反向恢复时间最短。而IPW65R065C7的内部二极管的反向恢复特性最差,其反向恢复电流峰值是CMF20120D内部二极管的6倍,反向恢复时间是CMF20120D内部二极管的3倍。CMF20120D的内部二极管与C4D20120A对比,其反向恢复电流略大于C4D20120A。
表4 CMF20120D、IPW65R065C7和IKW25N120T2的内部二极管静态参数
图10 测试二极管反向恢复特性的电路
图11 器件内部二极管和SiC肖特基二极管的反向恢复电流
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