Исследование стойкости SiC-диодов Шоттки ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» к скорости нарастания обратного напряжения

Развитие силовой электроники сопровождается внедрением новых технологий, способных повысить эффективность и надежность работы преобразовательных устройств. В ближайшие годы следует ожидать расширения применения и производства приборов на основе материалов с большой шириной запрещенной зоны, в первую очередь на основе карбида кремния политипа 4H (4H-SiC). Карбид кремния обладает уникальным для применения в приборах силовой электроники сочетанием свойств: высокой теплопроводностью, высокими пробивными характеристиками, а также значительной радиационной и термической стабильностью [1, 2]. Создание SiC-приборов позволило значительно улучшить характеристики корректоров коэффициента мощности, инверторов приводов, источников питания и других устройств.

Одними из важных компонентов, используемых в силовой электронике, являются SiC-диоды Шоттки. Такие диоды на основе 4Н-SiC уже несколько лет разрабатываются и серийно выпускаются на предприятии ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» (г. Брянск). Актуальной проблемой на пути еще более широкого применения SiC-диодов Шоттки представляется ограничение по максимальной величине параметра dV/dt при подаче импульса обратного напряжения [3, 4, 5]. Стойкость SiC-диодов Шоттки к воздействию dV/dt — одно из требований, устанавливающих ограничение скорости переключения в режиме жесткой коммутации. Установлено, что диоды с низкой стойкостью к dV/dt более подвержены отказам при воздействии больших пусковых токов [4, 5].

В настоящий момент число работ, в которых обсуждается эффект dV/dt в SiC-диодах Шоттки, весьма ограничено и представлено в основном исследованиями диодов Infineon Technologies [3], Wolfspeed [4, 5] и ROHM [6]. Например, исследование SiC-диодов Infineon показало, что для диодов с пробивным напряжением 600 В величина dV/dt ≈ 90 В/нс, а с напряжением 1200 В dV/dt ≈ 120 В/нс [3]. Для диодов Wolfspeed установлено, что при подаче импульса обратного напряжения V = 800 В для диода C3D03060A dV/dt = 295 В/нс, а при V = 1000 В для диода C4D10120A параметр dV/dt = 490 В/нс [4, 5]. Фирма Rohm приводит данные о том, что ее диоды в течение всего срока службы выдерживают dV/dt более 50 В/нс [6]. Недавно было продемонстрировано, что SiC-диоды Шоттки Wolfspeed нового поколения могут устойчиво работать без отказов при значениях dV/dt до 400 В/нс, при этом увеличение dV/dt до 650–800 В/нс приводило в ряде случаев к отказам [7, 8].

Об аналогичных исследованиях SiC-диодов Шоттки, выпускаемых отечественными производителями, к настоящему моменту в литературе не сообщалось. Поэтому целью данной работы являлось исследование стойкости SiC-диодов Шоттки производства ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» к скорости нарастания обратного напряжения при помощи разработанного тестера, способного генерировать импульсы с величиной dV/dt = 50–200 В/нс при амплитуде импульса обратного напряжения V = 300–900 В.

Тестер для исследования стойкости SiC-диодов Шоттки к скорости нарастания обратного напряжения

Оценка стойкости SiC-диодов Шоттки к параметру dV/dt требует формирования высоковольтных импульсов с высокой скоростью нарастания обратного напряжения. Для решения этой задачи был разработан измерительный тестер, показанный на рис. 1.

Рис. 1. Тестер для исследования стойкости SiC-диодов Шоттки к скорости нарастания обратного напряжения

На рис. 2 представлена схема измерительной части разработанного тестера, позволяющего исследовать стойкость SiC-диодов Шоттки к параметру dV/dt в диапазоне 50–200 В/нс при V = 300–900 В. Фронт импульса обратного напряжения формируется включением SiC-транзистора VT2. Малая длительность фронта импульса обеспечивается зарядом входной емкости транзистора VT2 током лавинного пробоя транзистора VT1. Регулирование параметра dV/dt осуществляется резистором R21.

Рис. 2. Схема измерительной части тестера для исследования стойкости SiC-диодов Шоттки к скорости нарастания обратного напряжения

Результаты исследования стойкости SiC-диодов Шоттки

Анализ осциллограмм напряжения и тока проводился при помощи осциллографа Hantek DSO5102P (полоса пропускания 100 МГц, частота обновления 1 Гвыб/с). Сопротивление токосъемного резистора R = 1 Ом. Амплитуда импульса обратного напряжения пошагово повышалась от начального значения V = 300 В до 900 В. При испытании SiC-диодов Шоттки импульсы напряжения подавались как однократные, так и сериями по 100, 1000 и 10 000 импульсов. Для проведения исследования диоды производства ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» подбирались с разным корпусным исполнением и отличающимися основными характеристиками. Для верификации полученных результатов предварительно была проведена оценка стойкости к dV/dt SiC-диодов Wolfspeed, что подтвердило основные выводы работы [4].

Результаты проведенного экспериментального исследования стойкости SiC-диодов Шоттки к скорости нарастания обратного напряжения показаны на рис. 3–6. В правом нижнем углу на представленных рисунках выведены данные о величинах dV и dt для каждого исследованного диода, что делает процесс определения параметра dV/dt проще и точнее. Результат определения величины dV/dt указан в подписи к каждому рисунку. Видно, что каждый из исследованных SiC-диодов Шоттки оказался работоспособным после воздействия сформированного тестером импульса. Зафиксированные отличия форм осциллограмм после завершения однократного импульса в основном обусловлены разным корпусным исполнением диодов ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ».

Рис. 3. Осциллограммы напряжения (канал 2) и тока (канал 1) для диода 5ДШ402А9 в корпусе КТ-47 при амплитуде импульса обратного напряжения V = 900 В (dV/dt = 148 В/нс)

Рис. 4. Осциллограммы напряжения (канал 2) и тока (канал 1) для диода в корпусе КТ-28-1 (при амплитуде импульса обратного напряжения V = 900 В (dV/dt = 184 В/нс)

Рис. 5. Осциллограммы напряжения (канал 2) и тока (канал 1) для нового разрабатываемого SiC-диода Шоттки с Vпробоя более 1700 В в корпусе КТ-28-1 при амплитуде импульса обратного напряжения V = 900 В (dV/dt = 136 В/нс)

Рис. 6. Осциллограммы напряжения (канал 2) и тока (канал 1) для диода КТ-28А-2.02 (металлокерамический корпус) при амплитуде импульса обратного напряжения V = 900 В (dV/dt = 176 В/нс)

Результаты определения параметра dV/dt для исследованных SiC-диодов Шоттки приведены в таблице.

Таким образом, стойкость SiC-диодов Шоттки ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» к скорости нарастания обратного напряжения сравнима со стойкостью диодов фирм Infineon Technologies, ROHM и Wolfspeed.

В настоящее время ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» проводит работы по улучшению охранной системы SiC-диодов, что даст стойкость к импульсам с dV/dt более 250 В/нс.

Заключение

Разработанный отечественный тестер для исследования стойкости SiC-диодов Шоттки к эффекту dV/dt позволил провести исследование SiC-диодов Шоттки производства ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ», отличающихся корпусированием и основными параметрами. Выполненный анализ осциллограмм напряжения и тока с разной длительностью сигнала, частотой и количеством импульсов позволил определить, что серийно выпускаемые, а также разрабатываемые ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» новые SiC-диоды Шоттки работоспособны при dV/dt не менее 130 В/нс.

Важно отметить, что фактические возможности исследованных диодов ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» превышают измеренные значения dV/dt и для установления предельной величины параметра dV/dt разрабатывается тестер, позволяющий достичь более 500 В/нс. Также для исследования больших партий диодов в настоящее время завершается создание автоматического тестера с микропроцессорным управлением на базе контроллера STM32F407, обеспечивающего одновременный контроль стойкости к параметру dV/dt до десяти диодов с программированием амплитуды обратного напряжения (в диапазоне 300–1500 В), скорости нарастания обратного напряжения, частоты импульсов (в диапазоне до 10 кГц) и их количества (1–100 000 импульсов).

____________________________________________________________________________________
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, задание № 8.1729.2017/4.6.