车载充电器(OBC)和隔离式DC/DC转换器等功率电子系统对组件可靠性提出了严格要求，尤其是在热应力和电气应力条件下。碳化硅混合PIN肖特基(MPS)二极管结合了肖特基势垒和P-N结的特性，在开关性能和鲁棒性方面具有显著优势 。

本研究探讨SIC-MPS二极管在挑战其热鲁棒性和动态鲁棒性的场景下的反向恢复行为。主要目标是评估其性能极限，并评价其对要求严苛的工业应用的适用性。

测试概念与测量条件

对Nexperia的额定电压为650 V、额定电流(IN)分别为6 A、10 A、16 A和20 A的SiC-MPS二极管进行了双脉冲测试[2]。施加的应力条件包括高达120 A的正向导通电流和高达175 °C的壳温，这对被测器件构成了具有挑战性的工作状态。测试样品涵盖了广泛的封装类型，包括引线键合型TO247、TO220、DPAK和D2PAK(例如PSC1065J)，以及创新的夹片键合型封装变体，如CFP40和CFP60。

为了评估开关速度对器件鲁棒性的影响，二极管关断电流斜率(diF/dt)增加至约9 A/ns。选择这些测试条件是为了模拟功率电子系统中现实的最坏情况，特别是在瞬态过流和热应力条件下，从而能够可靠评估二极管的反向恢复行为。

作为表征反向行为的关键参数——反向恢复电荷Qrr，是根据方程(1)确定的，其中参数iF等于二极管正向电流。

此处，t0表示正向电流iF首次过零的时间，t1定义为开关转换完成后的稳态时间点。

测量结果与观察

图1展示了在换流速度高达4 A/ns、壳温175 °C条件下，反向恢复电荷Qrr随二极管关断电流变化的函数关系。测量是在采用D2PAK封装的、额定电流为10 A、16 A和20 A的SiC-MPS二极管上进行的。所有器件均基于相同的芯片技术，但芯片尺寸不同，其中20A芯片的有效面积最大。

如图1所示，在达到某一特定电流阈值之前，即使在175 °C的高温下，Qrr也几乎保持恒定。在该阈值之前，反向恢复似乎主要受电容效应影响，而双极载流子注入仅起次要作用。

图1

这对应于近乎理想的单极条件，其中反向恢复电荷主要由结电容决定，该结电容可以近似为：

假设二极管电容不受换流、温度或其他动态效应影响，方程(2)描述了一个主要受阻断电压影响的电荷。这里，Q0代表一个积分常数。此外，方程(2)意味着在该工作范围内，电容电荷Qc以及因此Qrr与芯片面积成比例。

芯片尺寸的明显影响在图1中也清晰可见。由于其有效面积较小，采用较小芯片的器件具有较低的寄生电容，从而导致较低的Qrr值。这一效应在正向电流为10 A(IF = 10 A)时尤为明显，其中10A芯片显示出最低的反向恢复电荷。

然而，这些较小的芯片也表现出对温度的敏感性增加。与具有较大芯片面积的器件相比，温度引起的Qrr上升起始于显著较低的正向电流水平。例如，10A芯片在IF = 25 A和175 °C时，其恢复电荷已表现出明显增加，而20A芯片变体在相同温度下能保持稳定行为直至大约IF = 60 A。

这一趋势可归因于较小芯片中较高的电流密度，这加速了漂移区双极载流子注入的开始。相比之下，较大的芯片提供了更强的热鲁棒性，并延迟了此类双极效应的激活。

图2提供了对反向恢复行为的进一步洞察，展示了二极管关断期间测量的电流波形。在图2a中，使用IF = 10 A，反向恢复电流形状在整个温度范围内几乎保持不变，证实了在阈值以下不存在显著的双极注入。相比之下，图2b突出了在175 °C条件下随正向电流增加的行为。

图2a

图2b

在IF = 60 A时，观察到反向恢复电荷显著增加，这与载流子注入超过临界阈值的情况一致。重要的是，即使在此状态下，该行为也未表明存在热失控。结果强调，双极效应仍然是受控的，并且仅在超过特定工作点后才变得显著，这支持了所研究的SiC-MPS二极管在极端条件下的鲁棒性。

这些器件承受了极端的应力条件，包括高达额定值20倍的反向电流、175 °C的壳温以及高达9 A/ns的电流斜率。尽管如此，所有测试的二极管均未显示出任何电气或热失效的迹象。

图3

使用图3中的定义，可以随时间重建内部芯片电压vdie(t)。这是基于测量的封装电压vR(t)、已知的封装电感以及通过二极管的电流，如方程(3)所述。

图4展示了测量的封装电压vR(t)、重建的芯片电压vdie(t)和二极管电流iF(t)的波形。在急剧的电流转换期间，观察到芯片级别存在显著的电压过冲。这种过冲不仅受di/dt影响，还受相应封装电感的影响。

封装电感寄生参数对芯片级别的电压应力有影响。较高的电感在换流事件中会导致更大的电压过冲。根据方程(3)描述的推导，瞬态电压在额定电压为650 V的器件上高达900 V。尽管如此，未观察到破坏性的过压状况。

图4

讨论：对应用工程师的意义

实验结果突显了Nexperia的SiC-MPS二极管在苛刻的电气和热应力下的鲁棒性。尽管反向恢复行为在超过特定电流和温度阈值后会发生变化，但在广泛的工作范围内几乎保持恒定。即使是在极端条件下，所有测试的器件均未发生电气或热失效，这突显了其耐用性。

这表明二极管可以承受短期的动态过载而不会发生功能中断。此类情况可能暂时出现，例如在冷启动事件或瞬态过流峰值期间。虽然这些发现不能替代正式的规格限制，但它们为了解实际条件下的安全工作行为提供了宝贵的见解。

对于系统设计而言，这揭示了其在脉冲或容错应用中的潜在优势。能够承受短暂的过应力事件并保持稳定的开关行为，可能提供额外的设计裕量，并支持更紧凑、更具成本效益的解决方案。然而，必须仔细考虑封装寄生参数，特别是其对电压过冲的影响。选择合适的栅极电阻和优化的PCB布局对于限制瞬态电压尖峰和确保可靠运行至关重要。

在高电流和高温组合条件下观察到的性能，支持了这些二极管在安全关键系统(如汽车车载充电器)中的适用性。在发生双极载流子注入的工作状态中，器件继续可靠地开关。尽管观察到了反向恢复特性的变化，但双极效应本身似乎在提升的应力下有助于稳定的热行为。

最终，特定应用的验证仍然至关重要。虽然结果表明存在一定程度的设计余量，但系统级测试对于应对实际使用中的动态条件是必要的。这些见解可能有助于形成一种更具差异化的降额和组件选择方法，从而在实际设计中帮助优化成本、尺寸和热性能。

结论

这些研究证明，Nexperia的SiC-MPS二极管在苛刻的电气和热应力下表现出稳健的开关行为。在所有测试场景中，器件都承受住了升高的瞬态条件，证实了它们适用于对可靠性要求高的环境。这些发现可能支持更大的设计灵活性，特别是在需要安全处理短期电流峰值的应用中。

结果突显了这些二极管在汽车车载充电器等安全关键系统中的潜力。进一步的工作可以涉及系统级验证，并将测量的器件行为与相应模型的仿真结果进行比较，以支持动态应力下的稳健设计。