傾佳電子碳化硅MOSFET逆變器應(yīng)用中體二極管特性的臨界性分析：性能、可靠性及規(guī)格書(shū)解讀

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

I. 續(xù)流的必然性：為何體二極管在逆變器中不可避免

A. 逆變器應(yīng)用背景：半橋拓?fù)渑c感性負(fù)載

功率逆變器，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、太陽(yáng)能并網(wǎng)或不間斷電源（UPS）的核心，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)絕大多數(shù)基于硬開(kāi)關(guān)的半橋或全橋配置 。以典型的三相逆變器為例，其由三個(gè)半橋橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包含一個(gè)上橋臂開(kāi)關(guān)和一個(gè)下橋臂開(kāi)關(guān)。這些逆變器的負(fù)載（例如，電機(jī)繞組或并網(wǎng)電感）在宏觀上呈現(xiàn)出強(qiáng)感性 。根據(jù)電感的基本物理特性，流經(jīng)電感的電流不能發(fā)生瞬時(shí)突變。這一特性決定了在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間，必須有一個(gè)“續(xù)流”路徑來(lái)維持電流的連續(xù)性。碳化硅（SiC）MOSFET的體二極管（Body Diode）作為器件結(jié)構(gòu)的固有部分，在這一拓?fù)渲邪缪萘死m(xù)流二極管（Freewheeling Diode, FWD）的角色，其功能是基礎(chǔ)性的，而非可選項(xiàng) 。

B. 死區(qū)時(shí)間的必要性與體二極管的強(qiáng)迫導(dǎo)通

在半橋橋臂中，上橋臂（High-Side）和下橋臂（Low-Side）的開(kāi)關(guān)管絕對(duì)禁止同時(shí)導(dǎo)通。一旦同時(shí)導(dǎo)通，將導(dǎo)致直流母線（DC Bus）通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管形成低阻抗通路，引發(fā)“直通”（Shoot-through）故障，這通常是災(zāi)難性的，會(huì)瞬時(shí)摧毀功率器件。

為了從根本上防止直通，PWM（脈寬調(diào)制）控制邏輯中必須插入一個(gè)“死區(qū)時(shí)間”（Dead Time） 。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，控制信號(hào)強(qiáng)制要求上橋臂和下橋臂的MOSFET均處于關(guān)斷狀態(tài)。然而，此時(shí)感性負(fù)載的電流并不會(huì)中斷。該電流會(huì)“強(qiáng)迫”尋找一個(gè)路徑進(jìn)行續(xù)流。例如，當(dāng)負(fù)載電流從橋臂中點(diǎn)向外流出時(shí)，若上橋臂關(guān)斷，電流將強(qiáng)迫下橋臂的體二極管導(dǎo)通；反之，若下橋臂關(guān)斷，電流將強(qiáng)迫上橋臂的體二極管導(dǎo)通 。這個(gè)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)由體二極管承載續(xù)流的階段，被稱為“強(qiáng)迫續(xù)流期” 。

C. 第三象限運(yùn)行：續(xù)流路徑的分岔

MOSFET中這種從源極（Source）到漏極（Drain）的被迫反向?qū)щ?，在技術(shù)上被稱為第三象限運(yùn)行（$V_{DS}$為負(fù)， $I_D$為負(fù)） 。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，續(xù)流電流實(shí)際上有兩條并聯(lián)的路徑可以選擇：

MOSFET溝道： 如果柵源電壓（$V_{GS}$）被施加正壓（例如$V_{GS}=18V$），則MOSFET溝道導(dǎo)通，電流將主要流經(jīng)低阻的溝道。這種方式被稱為“同步整流”（Synchronous Rectification） 。

體二極管： 如果柵源電壓（$V_{GS}$）被施加為0V或負(fù)壓（例如B3M010C075Z規(guī)格書(shū)推薦的-5V） ，溝道處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)，反向電流將抬高源極電位，當(dāng)源-漏壓差（$V_{SD}$）超過(guò)體二極管的開(kāi)啟電壓時(shí)，體二極管將被動(dòng)正偏導(dǎo)通 。

即便是設(shè)計(jì)了同步整流的系統(tǒng)，在死區(qū)時(shí)間的開(kāi)始和結(jié)束瞬間，由于控制時(shí)序的延遲，體二極管的短暫導(dǎo)通幾乎總是不可避免的 。

因此，對(duì)體二極管“交流通流能力”的研究，其本質(zhì)上是對(duì)這種在每個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期中都被迫、重復(fù)發(fā)生的續(xù)流（Freewheeling）能力的探究 。研究這一點(diǎn)的根本原因在于，SiC MOSFET的體二極管在導(dǎo)通時(shí)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的性能代價(jià)（效率問(wèn)題）和長(zhǎng)期的可靠性隱患（壽命問(wèn)題）。

II. SiC PiN體二極管的性能代價(jià)（效率問(wèn)題）

與硅（Si）MOSFET不同，SiC MOSFET的固有體二極管是一個(gè)PiN（p-i-n）結(jié)二極管 。由于SiC材料的寬禁帶隙特性，這個(gè)PiN二極管的特性與Si二極管截然不同，并直接導(dǎo)致了顯著的功率損耗。

A. 靜態(tài)損耗：高正向壓降（$V_{SD}$）的解構(gòu)

SiC的寬禁帶（~$3.2~eV$）特性使得PiN結(jié)的開(kāi)啟需要更高的能量。其直接后果是，SiC MOSFET的體二極管具有非常高的正向壓降（$V_{SD}$） 。

B3M040065Z規(guī)格書(shū)數(shù)據(jù)分析： 3中第5頁(yè)的“反向二極管特性”（Reverse Diode Characteristics）表（參見(jiàn)3）為此提供了關(guān)鍵證據(jù)：

在 $T_{J}=25^{circ}C$，$I_{SD}=10A$ 時(shí)，典型的 $V_{SD}$ 值為 4.0 V。

在 $T_{J}=175^{circ}C$，$I_{SD}=10A$ 時(shí)，典型的 $V_{SD}$ 值為 3.4 V。

這個(gè)數(shù)值是傳統(tǒng)Si MOSFET體二極管（通常為0.8 V至1.0 V）的4到5倍 13。這意味著，在相同的10A續(xù)流電流下，B3M040065Z的體二極管在25°C時(shí)將產(chǎn)生 $4.0V times 10A = 40W$ 的瞬時(shí)導(dǎo)通損耗，而Si MOSFET僅產(chǎn)生約 $1.0V times 10A = 10W$ 的損耗。在逆變器的高頻開(kāi)關(guān)（例如100kHz）應(yīng)用中 ，雖然死區(qū)時(shí)間可能只有幾十納秒，但這種高損耗的重復(fù)累積會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量，嚴(yán)重制約逆變器的整機(jī)效率和功率密度。

$V_{SD}$的負(fù)溫度系數(shù)及其熱學(xué)意義

從B3M040065Z的數(shù)據(jù)（4.0V @ 25°C 降至 3.4V @ 175°C） 3中可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵的非顯性特征：SiC體二極管的 $V_{SD}$ 具有負(fù)溫度系數(shù)。隨著結(jié)溫升高， $V_{SD}$ 反而下降，從而導(dǎo)致二極管的靜態(tài)導(dǎo)通損耗（$P_{loss} = V_{SD} times I_{SD}$）隨溫度升高而降低。

這一特性與MOSFET溝道（第一象限）的行為形成了鮮明對(duì)比。根據(jù)Figure 5和Figure 6，SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻 $R_{DS(on)}$ 具有正溫度系數(shù)（隨溫度升高而增加） 。這意味著，在第三象限續(xù)流時(shí)，器件內(nèi)部存在兩條并聯(lián)路徑（溝道和二極管），它們的熱特性是完全相反的。

這種反向的熱特性極大地復(fù)雜化了熱設(shè)計(jì)和死區(qū)時(shí)間管理。在高溫工作時(shí)，通過(guò)溝道進(jìn)行同步整流的效率會(huì)降低（因 $R_{DS(on)}$ 增加），而通過(guò)體二極管續(xù)流的效率會(huì)提高（因 $V_{SD}$ 降低）。這也意味著，單獨(dú)看 $V_{SD}$，二極管的靜態(tài)導(dǎo)通損耗具有負(fù)反饋特性，不易發(fā)生熱失控。然而，這種“好處”被動(dòng)態(tài)損耗的特性完全抵消了。

B. 動(dòng)態(tài)損耗：反向恢復(fù)（$Q_{rr}$）機(jī)制

“交流通流能力”的研究同樣關(guān)注動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)死區(qū)時(shí)間結(jié)束，橋臂的另一開(kāi)關(guān)管（例如上管）導(dǎo)通時(shí)，正在續(xù)流的下管體二極管必須迅速?gòu)恼驅(qū)ㄞD(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚪刂埂?/p>

由于體二極管是PiN結(jié)，其導(dǎo)通時(shí)內(nèi)部充滿了少數(shù)載流子（存儲(chǔ)電荷）。要使其關(guān)斷，必須首先將這些存儲(chǔ)電荷（$Q_{rr}$）抽走 。雖然SiC的 $Q_{rr}$ 遠(yuǎn)小于同規(guī)格的Si器件（這是其主要優(yōu)勢(shì)之一） ，但它絕非為零。

B3M040065Z規(guī)格書(shū)數(shù)據(jù)分析： 中的數(shù)據(jù)顯示：

在 $T_{J}=25^{circ}C$，$I_{SD}=20A$ 時(shí)，典型的 $Q_{rr}$ 值為 100 nC。

在 $T_{J}=175^{circ}C$，$I_{SD}=20A$ 時(shí)，典型的 $Q_{rr}$ 值為 210 nC。

這個(gè) $Q_{rr}$ 必須由正在開(kāi)通的互補(bǔ)MOSFET提供。這個(gè)抽取電荷的過(guò)程表現(xiàn)為一個(gè)巨大的反向恢復(fù)電流尖峰（$I_{rm}$），在25°C時(shí)為15A，在175°C時(shí)高達(dá)26A 。

這個(gè)反向恢復(fù)事件對(duì)逆變器造成了雙重打擊：

增加開(kāi)通損耗（$E_{on}$）： 正在開(kāi)通的MOSFET不僅要提供負(fù)載電流，還必須額外提供這個(gè) $I_{rm}$ 尖峰電流。這部分能量損耗（$E_{rec}$）完全疊加在開(kāi)通損耗（$E_{on}$）上 17。B3M040065Z規(guī)格書(shū)在第4頁(yè)的開(kāi)關(guān)特性表中明確注明：“Eon includes diode reverse recovery”（$E_{on}$包含二極管反向恢復(fù)損耗） 。

EMI與電壓尖峰： 這個(gè) $I_{rm}$ 尖峰具有極高 $di/dt$。當(dāng)這個(gè)快速變化的電流流過(guò)電路的寄生電感（PCB走線、封裝引腳）時(shí) 5，會(huì)產(chǎn)生巨大的電壓尖峰（$V = L times di/dt$）。這種現(xiàn)象被稱為“硬恢復(fù)”或“Snappy Recovery” ，它不僅是主要的電磁干擾（EMI）源，還可能導(dǎo)致 $V_{DS}$ 電壓過(guò)沖，威脅器件的生存。

$Q_{rr}$的正溫度系數(shù)：主導(dǎo)損耗的驅(qū)動(dòng)因素

B3M040065Z的數(shù)據(jù) 3揭示了一個(gè)比高 $V_{SD}$ 更為嚴(yán)峻的問(wèn)題：當(dāng)結(jié)溫從25°C上升到175°C時(shí)， $Q_{rr}$ 增加了一倍多（100 nC -> 210 nC）， $I_{rm}$ 也幾乎翻倍（15A -> 26A）。

這對(duì)高溫運(yùn)行的逆變器而言是一個(gè)“雙重打擊”：

工程師可能認(rèn)為SiC的低 $Q_{rr}$ 是一個(gè)可以忽略的問(wèn)題。

但數(shù)據(jù)證明 $Q_{rr}$ 不僅顯著，而且具有強(qiáng)正溫度依賴性。

這意味著，隨著逆變器在重載下發(fā)熱，其動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)損耗（$E_{on}$）將顯著增加。

這形成了一個(gè)危險(xiǎn)的正反饋熱循環(huán)：更高的 $Q_{rr}$ 導(dǎo)致更高的 $E_{on}$ -> 產(chǎn)生更多熱量 -> 導(dǎo)致更高的結(jié)溫（$T_j$） -> 導(dǎo)致進(jìn)一步增高的 $Q_{rr}$。

這個(gè)循環(huán)使得逆變器在高溫下的熱穩(wěn)定性變得極難控制。因此，研究體二極管在不同溫度下的“交流通流能力”（即重復(fù)的 $Q_{rr}$ 事件）對(duì)于預(yù)測(cè)熱穩(wěn)定性和實(shí)際效率至關(guān)重要。

IV. 解讀規(guī)格書(shū)極限：B3M040065Z Figure 26的意義

在理解了體二極管的性能和可靠性挑戰(zhàn)后，我們來(lái)分析用戶提出的第二個(gè)具體問(wèn)題：B3M040065Z規(guī)格書(shū)第12頁(yè)中Figure 26的意義。

A. 圖表解構(gòu)：“脈沖二極管電流 vs. 脈沖寬度” (Figure 26)

坐標(biāo)軸： 該圖（參見(jiàn)3第12頁(yè)）的Y軸是 $I_{SD}(A)$（脈沖二極管電流），X軸是 $t_p(s)$（脈沖寬度）。兩個(gè)坐標(biāo)軸都是對(duì)數(shù)（log-log）尺度。

限制條件： 圖上明確標(biāo)注了該曲線的定義：“Pulsed diode current limited by $T_{jmax}$”（脈沖二極管電流受限于最大結(jié)溫$T_{jmax}$） 。

物理含義： 這是一條熱極限曲線，本質(zhì)上是體二極管的安全工作區(qū)（SOA）圖。它展示了，在給定脈沖寬度（$t_p$）下，體二極管能承受的單次、非重復(fù)脈沖電流的最大幅值，這個(gè)脈沖將使器件結(jié)溫（$T_j$）從一個(gè)初始溫度（例如 $T_c=25^{circ}C$）瞬時(shí)上升到其允許的最高結(jié)溫（$T_{jmax} = 175^{circ}C$）。這條曲線是基于器件的瞬態(tài)熱阻抗（$Z_{thjc}$，見(jiàn)Figure 24）計(jì)算得出的。

B. 應(yīng)用意義：這是“魯棒性”曲線，而非“工作”曲線

Figure 26這張圖不是用來(lái)設(shè)計(jì)逆變器標(biāo)稱工況下（即“交流通流”）的續(xù)流電流的。

例如，一個(gè)高頻逆變器的死區(qū)時(shí)間通常在50-100 ns范圍內(nèi)。在Figure 26上查找100 ns（$10^{-7}s$）的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電流耐受能力遠(yuǎn)超300A。而逆變器的標(biāo)稱續(xù)流電流通常在幾十安培（該器件的 $I_{D}$ 額定值為67A， $I_{SD}$ 連續(xù)額定值為44A） 3。Figure 26清楚地表明，標(biāo)稱工況下的續(xù)流（幾十安培，幾十納秒）遠(yuǎn)在熱極限之內(nèi)。

Figure 26的真正意義： 它定義了體二極管的浪涌電流能力或故障耐受能力 。它回答了工程師在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)必須面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題：“在異常故障發(fā)生時(shí)，器件能撐多久？”

逆變器中的典型故障場(chǎng)景：

負(fù)載短路： 逆變器輸出端（例如電機(jī)U/V/W相）發(fā)生相間或?qū)Φ囟搪?。?a target="_blank">保險(xiǎn)絲熔斷或保護(hù)電路（如過(guò)流檢測(cè)）動(dòng)作之前（這需要幾微秒到幾毫秒），一個(gè)巨大的短路電流將流過(guò)體二極管。

電機(jī)堵轉(zhuǎn)： 電機(jī)被機(jī)械卡死，導(dǎo)致電流急劇上升并維持在數(shù)倍額定電流，持續(xù)時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)毫秒級(jí)。

浪涌沖擊： 系統(tǒng)上電或雷擊等瞬態(tài)事件。

Figure 26為這些場(chǎng)景提供了定量依據(jù)。例如，從該圖可讀出，B3M040065Z的體二極管可以承受一次200A的浪涌電流，持續(xù)1ms（$10^{-3}s$）；或者一次**100A的浪涌，持續(xù)約8ms（$8 times 10^{-3}s$）**而不被熱摧毀。設(shè)計(jì)工程師必須依據(jù)此數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)定過(guò)流保護(hù)的閾值和延遲時(shí)間，確保保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間（例如3ms）快于器件的熱極限（例如在200A下只能撐1ms）。

解讀Figure 26與“最大額定值”表的關(guān)聯(lián)

在3第5頁(yè)的“最大額定值”表（參見(jiàn)3）中，列出了 $I_{SD,pulse}$（脈沖二極管正向電流）的額定值為 85A。這與Figure 26上動(dòng)輒一兩百安的數(shù)值似乎存在矛盾。

這恰恰是解讀規(guī)格書(shū)的要點(diǎn)：

“最大額定值”表中的 $I_{SD,pulse} = 85A$ 是一個(gè)單一、保證的指標(biāo)。其測(cè)試條件是“pulse width $t_{p}$ limited by $T_{jmax}$” ，這通常對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的長(zhǎng)脈沖，例如10ms。

檢查Figure 26，當(dāng)我們?cè)赬軸上找到10ms（$10^{-2}s$）時(shí)，對(duì)應(yīng)的Y軸電流值恰好在80-90A的區(qū)間內(nèi)。

這完美地解決了這個(gè)“矛盾”。$I_{SD,pulse}$ 額定值（85A）僅僅是Figure 26熱極限曲線在10ms脈寬處的一個(gè)點(diǎn)。

意義： Figure 26提供了遠(yuǎn)比85A這個(gè)單獨(dú)數(shù)字更豐富、更有價(jià)值的信息。它揭示了器件在全脈寬范圍內(nèi)的完整熱特性。它授權(quán)工程師去評(píng)估短脈沖（微秒級(jí)）下的浪涌事件 26，并證明了器件在這些短脈沖下的耐受能力（例如>300A）遠(yuǎn)強(qiáng)于其標(biāo)稱的85A脈沖額定值。

V. 綜合：體二極管評(píng)估的完整框架

本報(bào)告的分析表明，用戶對(duì)SiC MOSFET體二極管的疑問(wèn)，觸及了器件表征的三個(gè)不同但緊密相關(guān)的層面。在逆變器應(yīng)用中，必須對(duì)這三個(gè)層面進(jìn)行全面評(píng)估：

1. 性能 (效率)： 這是標(biāo)稱運(yùn)行的代價(jià)。它由用戶所說(shuō)的“交流通流能力”（即重復(fù)的續(xù)流）與以下參數(shù)相互作用所決定：

靜態(tài)損耗： 由高 $V_{SD}$ 及其負(fù)溫度系數(shù)定義 。

動(dòng)態(tài)損耗： 由 $Q_{rr}$ 及其強(qiáng)正溫度系數(shù)定義 。

2. 魯棒性 (故障生存)： 這是瞬時(shí)失效的風(fēng)險(xiǎn)。它由非重復(fù)的浪涌電流能力所定義，并由以下圖表進(jìn)行量化：

Figure 26：脈沖二極管SOA (熱極限) 。

深圳市傾佳電子有限公司（簡(jiǎn)稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
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最終結(jié)論：連接用戶的兩個(gè)核心問(wèn)題

用戶的兩個(gè)問(wèn)題完美地串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成了對(duì)一個(gè)功率器件進(jìn)行應(yīng)用評(píng)估的完整工程邏輯：

“為什么研究體二極管的交流通流能力？”

答案： 因?yàn)檫@種高頻、重復(fù)的標(biāo)稱工況，決定了逆變器的性能（效率）（由$V_{SD}$ 和 $Q_{rr}$ 導(dǎo)致的損耗）和可靠性（壽命）。

“Figure 26曲線的意義是什么？”

答案： 這張圖定義了同一二極管的魯棒性（安全）。它量化了器件在非重復(fù)的、故障工況下的熱極限（浪涌生存能力），這是設(shè)計(jì)保護(hù)電路的依據(jù)。

綜上所述，工程師研究“交流通流能力”是為了確保設(shè)計(jì)出的逆變器能夠在其10年或20年的壽命期內(nèi)高效（低性能代價(jià)）且可靠（無(wú)壽命隱患）地運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，工程師還必須使用Figure 26的數(shù)據(jù)來(lái)確保，同一設(shè)計(jì)能夠安全地承受（魯棒）在現(xiàn)實(shí)世界中不可避免的短路和過(guò)流故障。

審核編輯 黃宇