wyznaczanie charakterystyk diody schottky`ego z węglika krzemu z

Transkrypt

Janusz Zarębski, Jacek Dąbrowski
Akademia Morska w Gdyni
WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK DIODY SCHOTTKY’EGO
Z WĘGLIKA KRZEMU Z WYKORZYSTANIEM
MODELU ELEKTROTERMICZNEGO
W artykule przedstawiono sformułowany dla programu SPICE elektrotermiczny model diody
Schottky’ego mocy z węglika krzemu. Model zweryfikowano eksperymentalnie oraz oceniono jego
przydatność w modelowaniu charakterystyk komercyjnie dostępnych nowych diod z węglika krzemu.
Badania eksperymentalne i symulacyjne przeprowadzono dla diody STPSC806D oferowanej na rynku
od roku 2009.
Słowa kluczowe: dioda Schottky’ego mocy, węglik krzemu, model elektrotermiczny.
WPROWADZENIE
Czynnikiem, który istotnie kształtuje właściwości diod Schottky’ego mocy
z węglika krzemu (SiC), jest temperatura [1]. Wpływ temperatury otoczenia równej
temperaturze wnętrza elementu jest uwzględniany w tzw. modelach izotermicznych [3]. Modele takie pozwalają na wyznaczenie charakterystyk izotermicznych.
Ponadto ważnym zjawiskiem występującym w elementach półprzewodnikowych,
szczególnie elementach mocy, jest samonagrzewanie, wynikające z zamiany energii elektrycznej, wydzielanej w elemencie, na ciepło przy nieidealnych warunkach
chłodzenia. Prowadzi ono do nadwyżki temperatury wnętrza diody ponad temperaturę otoczenia. Samonagrzewanie uwzględniane jest w tzw. modelach elektrotermicznych (ETM) [3]. Modele te stanowią syntezę elektrycznego modelu izotermicznego o parametrach zależnych od temperatury wnętrza elementu, modelu
termicznego, który wiąże moc wydzielaną w elemencie z temperaturą jego wnętrza
i modelu mocy opisującego zależność wydzielanej mocy od prądów i napięć zaciskowych elementu oraz umożliwiają wyznaczenie tzw. charakterystyk nieizotermicznych. Na kształt tych charakterystyk wpływają parametry termiczne: przejściowa impedancja termiczna oraz rezystancja termiczna.
Ocena właściwości diod Schottky’ego zawierających złącze metal-półprzewodnik może być przeprowadzona na podstawie wyników symulacji komputerowych z wykorzystaniem wiarygodnego i zweryfikowanego eksperymentalnie
ETM. Programem umożliwiającym analizę elementów i układów elektronicznych
jest SPICE. Dla tego programu autorzy opracowali elektrotermiczny model diody
20
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012
Schottky’ego mocy SiC, opisany m.in. w pracach [1, 4], pozwalający wiernie modelować charakterystyki pierwszych diod z węglika krzemu oferowanych komercyjnie przez firmy Infineon Technologies oraz Cree Research. Należy podkreślić,
iż na rynek wprowadzane są nowe typy diod Schottky’ego SiC. Wśród producentów, którzy oferują obecnie diody Schottky’ego z węglika krzemu, należy wymienić również SemiSouth, Semelab, GeneSiC Semiconductor, Rohm Semiconductor
oraz STMicroelectronics. Firmy te nie udostępniają jednak własnych modeli dedykowanych dla tych elementów, dlatego też zachodzi potrzeba oceny przydatności
modelu autorskiego dla nowych typów diod Schottky’ego z węglika krzemu.
W pracy przedstawiono elektrotermiczny model diody Schottky’ego SiC mocy oraz dokonano oceny jego dokładności. Do badań wybrano diodę STPSC806D
oferowaną od 2009 roku przez firmę STMicroelectronics [5]. Ocenę przydatności
modelu przeprowadzono poprzez porównanie uzyskanych z wykorzystaniem modelu wyników symulacji z wynikami pomiarów charakterystyk statycznych i dynamicznych badanej diody Schottky’ego.
1. POSTAĆ MODELU
Reprezentację obwodową opracowanego modelu przedstawiono na rysunku 1.
Model składa się z modelu elektrycznego (ME) obejmującego model pojemności
złączowej (MPZ), modelu termicznego (MT) i modelu mocy wydzielanej w diodzie (MM).
MT
TJ
MIGP
A
IGP
VIGP
ERTH
GD
MM
TA
u(UC1)
GP
VTA
Rn
R2
R1
Cn
C2
C1
VTA
UCJ
u(A,MID)
ECJ
VIGJCT
IGJCT
MPZ
MID
TJ
MIGP
CCJ
UC1
RCJ
VIGD
IGD
AS
VIGP
GJCT
ERS
TA
I GP
MM
K
ME
GP
ASP
Rys. 1. Reprezentacja obwodowa modelu elektrotermicznego diody Schottky’ego mocy
z węglika krzemu
Fig. 1. Network form of the electrothermal model of the silicon carbide
power Schottky diode
J. Zarębski, J. Dąbrowski, Wyznaczanie charakterystyk diody Schottky’ego z węglika krzemu z wykorzystaniem...
21
Model elektryczny zawiera pięć zasadniczych elementów:
• sterowane źródło prądowe GD, które opisuje prąd diody,
• sterowane źródło prądowe GJCT opisujące prąd płynący przez pojemność złączową diody,
• sterowane źródło napięciowe ERS, które modeluje rezystancję szeregową,
• dwa niezależne źródła napięciowe VIGD i VIGJCT o wartościach napięcia
równych zeru, które pełnią funkcję mierników prądu w poszczególnych gałęziach obwodu.
Należy zaznaczyć, że pojemność złączowa diody jest modelowana przez układ
różniczkowy, wykorzystujący źródło napięcia ECJ, rezystancję RCJ oraz pojemność CCJ. Wartość temperatury otoczenia jest ustalana przez źródło napięciowe
VTA.
Wartość prądu źródła GD opisuje zależność:
I GD (u,T j ) = (ID(u,T j ) ⋅ KLOW (u,T j ) + IGEN (u,T j ) ) − IBR(u,T j )
(1)
gdzie:
Tj
– temperatura wnętrza, przy czym dla warunków izotermicznych równa jest
temperaturze otoczenia,
u
– napięcie pomiędzy węzłami A oraz MID,
ID
– prąd emisji termojonowej,
KLOW – zjawisko obniżenia bariery złącza (Schottky barrier lowering effect),
IGEN – prąd generacyjny dla polaryzacji wstecznej,
IBR
– prąd lawinowy w obszarze przebicia diody.
Wartość prądu ID jest wyrażona przez formułę:
⎛ B
d
ID(u,T j ) = S ⋅ AR ⋅ T j ⋅ exp ⎜⎜ −
⎝ Tj
B=
skąd
gdzie:
S –
AR –
d –
B –
q –
k –
⎞ ⎡⎛
⎞ ⎤
q ⋅u
⎟⋅⎢⎜
⎟
⎟ ⎜ k ⋅ T ⋅ N (u,T j ) ⎟ − 1⎥
⎠ ⎣⎢ ⎝
⎠ ⎦⎥
q ⋅ φB
k
(2)
(3)
powierzchnia złącza,
stała Richardsona,
współczynnik temperaturowy,
stała proporcjonalna do wysokości bariery złącza φB,
ładunek elektronu,
stała Boltzmanna.
Z kolei współczynnik emisji N(u,Tj) jest opisany przez:
⎧
⎛1 + TNF1 ⋅ (T j − TO ) ⎞
⎟
⎪ NF ⋅ ⎜⎜
2⎟
N (u,T j ) = ⎨
⎝ + TNF 2 ⋅ (T j − TO ) ⎠
⎪
⎩ NR
dla u ≥ 0
dla u < 0
(4)
22
gdzie:
NF
TNF1, TNF2
NR
TO
–
–
–
–
parametr dla polaryzacji diody w kierunku przewodzenia,
współczynniki temperaturowe parametru NF,
występuje w opisie diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym,
temperatura odniesienia.
Zjawisko obniżenia wysokości bariery potencjału złącza wpływające na charakterystyki diody przy polaryzacji zaporowej, reprezentowane przez KLOW, jest
opisane wzorem:
p ⎞
⎛k
⎜ SCH ⋅ 4 u ⎟
(5)
KLOW (u,T j ) = exp ⎜
⎟
Tj
⎜
⎟
⎝
⎠
gdzie kSCH oraz p są parametrami modelu.
Dla napięć dodatnich KLOW przyjmuje wartość równą jedności.
Prąd generacyjny IGEN występujący w zależności (1) jest składnikiem prądu
diody w zakresie polaryzacji wstecznej diod Schottky’ego mocy wykonanych
z węglika krzemu. Prąd IGEN w zaproponowanym modelu jest opisany wzorem:
1
⎞ ⎤
⎛ − BGEN ⎞ ⎡ ⎛
q ⋅u
g
⎟
⎟ ⋅ ⎢exp⎜
IGEN (u,T j ) = KGEN ⋅ ( u + 1V ) 2 ⋅ T j ⋅ exp⎜⎜
⎜ k ⋅ T j ⋅ N (u,T j ) ⎟ − 1⎥
⎟
T
j
⎢
⎠ ⎥⎦
⎠ ⎣ ⎝
⎝
(6)
gdzie:
KGEN – parametr prądu generacyjnego,
g
– potęgowy wykładnik temperatury,
BGEN – parametr odpowiadający wysokości bariery potencjału złącza dla prądu generacyjnego.
W celu zamodelowania charakterystyki i(u) diody Schottky’ego w zakresie
przebicia, w opisie charakterystyk wstecznych wykorzystano dodatkowy składnik
prądu opisany zależnością:
⎛ (− BRV (T j ) − u ) ⋅ q ⎞
⎟
IBR(u,T j ) = IB ⋅ expK⎜⎜
⎟
⎝ k ⋅ T j ⋅ NBRV (T j ) ⎠
(7)
gdzie:
IB
– parametr modelu oznaczający wartość prądu dla napięcia przebicia diody,
BRV(Tj) – temperaturowa zależność napięcia przebicia diody,
NBRV(Tj) – temperaturowa zależność modelująca twardość charakterystyk w zakresie
przebicia.
Temperaturowa zależność napięcia przebicia od temperatury BRV(Tj) jest opisana formułą:
BRV (T j ) = BRVV ⋅ (1 + TBRVV ⋅ (T j − TO ) )
(8)
gdzie:
BRVV
– wartość napięcia przebicia diody określona dla prądu IB w temperaturze
odniesienia TO,
TBRVV – temperaturowy współczynnik zmian napięcia BRVV.
23
Zależność NBRV(Tj) określa empiryczny wzór o postaci:
NBRV (T j ) = NBR ⋅ (1 + TNBR ⋅ (T j − TO ) )
(9)
gdzie NBR jest parametrem, natomiast TNBR jest jego współczynnikiem temperaturowym.
Sterowane źródło napięciowe ERS modeluje wpływ rezystancji szeregowej na
charakterystyki diody. Wartość napięcia tego źródła opisuje wzór:
U ERS = IVIGD ⋅ RS (T j )
(
(
= IVIGD ⋅ RSW ⋅ 1 + TRS1 ⋅ (T j − TO ) + TRS 2 ⋅ (T j − TO ) 2
))
(10)
gdzie:
IVIGD – prąd przepływający przez źródło napięciowe VIGD,
RS(Tj) – zależność rezystancji szeregowej diody od temperatury, w której RSW reprezentuje rezystancję szeregową diody dla temperatury odniesienia, natomiast
TRS1 i TRS2 są współczynnikami temperaturowymi.
W modelu pojemności złączowej prąd źródła GJCT jest wyrażony zależnością:
du
⎧
⎪CJREV (u,T j ) ⋅ dt
⎪
du
⎪
I GJCT (u,T j ) = ⎨CJFOR(u,T j ) ⋅
dt
⎪
du
⎪
⎪CJAPPROX (u,T j ) ⋅ dt
⎩
dla u ≤ 0
dla 0 < u ≤ FC ⋅ VJW
(11)
dla u > FC ⋅ VJW
gdzie:
CJREV
CJFOR
– pojemność złączowa diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym,
– pojemność złączowa dla polaryzacji diody w kierunku przewodzenia
w zakresie napięcia od wartości 0 do wartości proporcjonalnej do iloczynu parametrów FC i VJW,
CJAPPROX – linearyzuje pojemność dla wartości napięcia większego od iloczynu
parametrów FC i VJW, które oznaczają odpowiednio współczynnik linearyzacji pojemności złączowej oraz potencjał wbudowany.
Pojemność CJREV opisuje wzór:
⎛ LIMIT (−u,0 ,BRVV ) ⎞
+ 1⎟⎟
CJREV (u,T j ) = CJS 0(T j ) ⋅ ⎜⎜
VJ (T j )
⎝
⎠
− MC
(12)
gdzie:
CJS0(Tj) – temperaturowa zależność pojemności złączowej dla zerowej polaryzacji
złącza,
VJ(Tj) – temperaturowa zależność potencjału wbudowanego,
MC
– parametr modelu.
Wyrażenie LIMIT występujące we wzorze (12) jest standardową funkcją
ograniczającą stosowaną w programie SPICE.
24
Temperaturowa zależność CJS0(Tj) jest z kolei wyrażona empirycznym wzorem o postaci:
CJS 0(T j ) = CJ 0 ⋅ (1 + TCJ 0 ⋅ (T j − TO ) )
(13)
gdzie:
CJ0
– pojemność złączowa diody przy zerowej polaryzacji złącza w temperaturze
odniesienia,
TCJ0 – temperaturowy współczynnik zmian rozważanej pojemności.
Temperaturowa zależność VJ(Tj) jest opisana formułą:
VJ (T j ) = VJW ⋅
Tj
⎛ Tj ⎞ B ⋅ k ⎛ Tj ⎞ B ⋅ k
− 3 ⋅ U T ⋅ ln⎜ ⎟ −
⋅⎜ ⎟ +
TO
q ⎝ TO ⎠
q
⎝ TO ⎠
(14)
gdzie UT jest potencjałem termicznym.
Pojemności CJFOR i CJAPPROX występujące we wzorze (11) są opisane zależnościami:
⎛
u ⎞
⎟
CJFOR(u,T j ) = CJS 0(T j ) ⋅ ⎜⎜1 −
⎟
(
)
VJ
T
j
⎝
⎠
− MC
(15)
oraz
− (1+ MC )
CJAPPROX (u,T j ) = CJ 0(T j ) ⋅ (1 − FC )
⎛
MC ⋅ u ⎞
⎟ (16)
⋅ ⎜⎜1 − FC ⋅ (1 + MC ) +
VJ (T j ) ⎟⎠
⎝
Model termiczny z rysunku 1 obejmuje model do analizy stałoprądowej (AS)
oraz do analizy stanów przejściowych (ASP). Model AS składa się z trzech elementów: sterowanego źródła napięciowego ERTH modelującego rezystancję termiczną diody oraz dwóch niezależnych źródeł napięciowych VIGP i VTA,
z których pierwsze o napięciu równym zeru pełni rolę miernika mocy wydzielanej
w diodzie, natomiast drugie źródło pozwala ustalić wartość temperatury otoczenia
(wartość potencjału w punkcie TA). Wartość temperatury wnętrza diody pobierana
do obliczeń przez model elektryczny jest uzyskiwana w węźle TJ.
Zadaniem sterowanego źródła napięciowego ERTH jest modelowanie przyrostu temperatury wnętrza, wynikającego z istnienia rezystancji termicznej diody
pomiędzy złączem i otoczeniem. Napięcie tego źródła uwzględnia wpływ mocy
wydzielanej w elemencie oraz temperatury otoczenia na wartość rezystancji termicznej, zgodnie ze wzorem:
⎛
⎛ I
⎞⎞
U ERTH = IVIGP ⋅ ⎜⎜ RTH + α ⋅ (1 + kα ⋅ (Ta − TO )) ⋅ exp ⎜⎜ − VIGP ⎟⎟ ⎟⎟
β ⎠⎠
⎝
⎝
(17)
gdzie:
IVIGP – prąd płynący przez źródło VIGP, o wartości odpowiadającej mocy wydzielanej w diodzie,
25
RTH – parametr modelu reprezentujący graniczną minimalną wartość rezystancji
termicznej diody pomiędzy wnętrzem i otoczeniem dla określonych warunków odprowadzania ciepła z elementu,
α
– parametr zależny od temperatury otoczenia Ta,
kα – temperaturowy współczynnik zmian parametru α,
β
– korekcyjny parametr modelu.
Postać równania opisanego wzorem (17) opracowano na podstawie wyników
badań eksperymentalnych rezystancji termicznej uzyskanych w specjalnym systemie pomiarowym [1].
Z kolei w modelu ASP właściwości termiczne diody są modelowane analogiem przejściowej impedancji termicznej w postaci łańcucha Fostera zbudowanego z elementów RC. Sposób wyznaczania tych elementów z wykorzystaniem pomierzonych przebiegów przejściowej impedancji termicznej opisano w pracy [2].
Model mocy wydzielanej w diodzie Schottky’ego reprezentuje źródło prądowe GP. Prąd tego źródła uzależniony jest od rodzaju analizy (stałoprądowa (statyczna) dla czasu t = 0; dynamiczna dla czasu t > 0) i jest określony wzorem:
dla t = 0
⎧γ ⋅ IVIGD ⋅ u ( A,K )
I GP (u,T j ) = ⎨
⎩γ ⋅ (IVIGD ⋅ u ( A,K ) + IVIGJCT ⋅ u ( MID,K ) ) dla t > 0
(18)
gdzie:
γ – parametr modelu decydujący o rodzaju uzyskiwanych charakterystyk, przyjmujący dwie wartości: 1 – dla charakterystyk nieizotermicznych oraz 0 – dla charakterystyk izotermicznych,
u(A,K)
– napięcie pomiędzy węzłami A i K,
u(MID,K) – napięcie pomiędzy węzłami MID i K,
natomiast prąd IVIGD oraz prąd IVIGJCT reprezentują kolejno wartości prądów mierzonych przez źródła napięciowe VIGD oraz VIGJCT.
2. WYNIKI POMIARÓW I SYMULACJI
Przedstawiony w rozdziale 1 model diody Schottky’ego SiC mocy zweryfikowano doświadczalnie dla diody SiC STPSC806D produkowanej przez firmę
STMicroelectronics. W celu weryfikacji, na rysunkach 2–6 porównano uzyskane
wyniki symulacji (linie ciągłe) wybranych charakterystyk statycznych izotermicznych i nieizotermicznych, a także charakterystyk dynamicznych izotermicznych badanej diody z uzyskanymi wynikami pomiarów (punkty). W symulacjach
stosowano wartości parametrów modelu zebrane w tabeli 1, wyznaczone według
procedur przedstawionych w pracy [1].
26
Tabela 1. Wartości parametrów ETM dla diody STPSC806D
tytuł w j. angielskim!!!
Parametr
Wartość
B [K]
2
S [cm ]
2
Parametr
Wartość
–2
12900
TNF2 [K ]
1,64⋅10–6
0,0016
d
2
2
AR [A/cm ⋅ K ]
146
g
1,5
RSW [mΩ]
61,7
TBRVV [K–1]
-0,0015
NF
1,059
TNBR [K–1]
-0,0023
BRVV [V]
610
TCJO [K–1]
85⋅10–5
NR
100
CJ0 [pF]
459
kSCH [K/Vp/4]
90
VJW [V]
1,11
p
BGEN [K]
g
KGEN [A/V½ ⋅ K ]
IB [A]
NBR
2
FC
0,5
1500
MC
0,46
1,5⋅10–12
RTH [K/W]
45
α [K/W]
18
kα [K-1]
-0,0048
β [W]
2
TO [K]
299
3⋅10
–6
2700
–1
–3
TRS1 [K ]
2,59⋅10
TRS2 [K–2]
2,55⋅10–5
TNF1 [K–1]
–5,29⋅10–4
Na rysunku 2 przedstawiono wyniki pomiarów i symulacji charakterystyk izotermicznych, a także charakterystyki katalogowe (linie przerywane) badanej diody,
odpowiadające polaryzacji w kierunku przewodzenia. Jak widać, uzyskano bardzo
dobrą zgodność charakterystyk obliczonych oraz charakterystyk zmierzonych.
6
STPSC806D
5
pomiary
symulacje
IF [A]
4
katalog
3
Ta = 99°C
Ta = 175°C
2
Ta = 26°C
1
0
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
UF [V]
Rys. 2. Izotermiczne charakterystyki statyczne diody spolaryzowanej
w kierunku przewodzenia
Fig. 2. Isothermal static characteristics of the forward-biased diode
27
Z kolei na rysunku 3a) pokazano charakterystyki nieizotermiczne odpowiadające polaryzacji diody bez radiatora (obudowa TO220) w kierunku przewodzenia. W przypadku pomiarów charakterystyki uzyskano dla stanu termicznie
ustalonego. W trakcie badań eksperymentalnych pomierzono również temperaturę
obudowy badanej diody. Otrzymane wyniki pomiarów porównane z wynikami
symulacji przedstawiono na rysunku 3b). W obliczeniach temperatury Tc diody
STPSC806D wykorzystano zależność:
Tc = T jS − PS ⋅ Rthj-c
(19)
gdzie:
TjS – temperatura wnętrza diody otrzymana z symulacji,
PS – obliczona w symulacjach moc wydzielona w diodzie,
Rthj-c – katalogowa rezystancja termiczna pomiędzy złączem i obudową elementu.
Jak widać na rysunkach 3 i 4, uzyskano zarówno ilościową, jak i ilościową
zgodność charakterystyk obliczonych oraz zmierzonych.
a)
4
STPSC806D
3,5
pomiary
3
symulacje
IF [A]
2,5
2
Ta = 100°C
1,5
Ta = 175°C
1
0,5
Ta = 23°C
0
0,4
0,6
0,8
1
1,2
UF [V]
b)
225
200
STPSC806D
175
TC [°C]
150
Ta = 175°C
125
Ta = 23°C
100
75
Ta = 100°C
50
pomiary
symulacje
25
0
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
UF [V]
Rys. 3. Nieizotermiczne charakterystyki diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia:
a) zależność i(u), b) zależność temperatury obudowy od napięcia
Fig. 3. Non-isothermal characteristics of the forward-biased diode:
a) current-voltage dependence i(u), b) case temperature versus voltage
28
Na rysunku 4 przedstawiono obliczone, zmierzone oraz katalogowe izotermiczne charakterystyki diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym. Zauważalne
rozbieżności pomiędzy uzyskanymi charakterystykami występują głównie dla małych wartości napięcia polaryzującego w temperaturze 19°C. Na uwagę zasługuje
znaczna wytrzymałość napięciowa diody, która przekracza katalogową wartość
równą 600 V.
UR [V]
700
600
500
400
300
200
100
0
1,E-10
STPSC806D
Ta = 19°C
pomiary
1,E-09
Ta = 125°C
symulacje
1,E-08
katalog
1,E-07
1,E-06
IR [A]
800
1,E-05
1,E-04
Ta = 175°C
Ta = 25°C
1,E-03
Rys. 4. Izotermiczne charakterystyki diody spolaryzowanej zaporowo
Fig. 4. Isothermal characteristics of the reverse-biased diode
Na kolejnych dwóch rysunkach przedstawiono charakterystyki opisujące dynamiczne właściwości badanej diody Schottky’ego z węglika krzemu.
Rysunek 5 ilustruje zależność pojemności złączowej diody od ujemnego napięcia polaryzującego oraz wpływ temperatury otoczenia na tę pojemność.
Na rysunku tym zamieszczono również charakterystykę katalogową.
540
STPSC806D
Ta = 150°C
490
pomiary
CJ0 [pF]
440
symulacje
Ta = 62°C
390
katalog
340
290
Ta = 19°C
240
190
Ta = 25°C
140
0
2
4
6
8
10
12
UR [V]
Rys. 5. Zależność pojemności złączowej diody od napięcia
Fig. 5. Dependence of the junction diode capacitance on reverse voltage
29
Natomiast rysunek 6 przedstawia izotermiczny przebieg prądu diody podczas
jej wyłączania w dwóch różnych skrajnych temperaturach otoczenia. Wyniki pomiarów wykreślono linią ciągłą cienką. Jak widać na obu omawianych rysunkach,
uzyskana zgodność charakterystyk otrzymanych sposobem eksperymentu oraz
symulacji jest bardzo dobra.
0,1
0,08
Ta = 20°C
Ta = 150°C
0,06
STPSC806D
pomiary
symulacje
0,04
ID [A]
0,02
-1,0E-07
-5,0E-08
0
0,0E+00
-0,02
5,0E-08
1,0E-07
1,5E-07
-0,04
-0,06
-0,08
t [s]
Rys. 6. Czasowy izotermiczny przebieg prądu diody podczas jej wyłączania
Fig. 6. Isothermal transient diode current waveform during turn-off the diode
UWAGI KOŃCOWE
W artykule przedstawiono opracowany przez autorów elektrotermiczny model
diody Schottky’ego mocy wykonanej z węglika krzemu należącego do klasy tzw.
półprzewodników wysokotemperaturowych, posiadających szeroką przerwę energetyczną. Zaproponowany model pozwala modelować zarówno właściwości elektryczne statyczne oraz dynamiczne, jak i właściwości termiczne rozważanych w
pracy diod Schottky’ego SiC. W modelu uwzględniono m.in. zależność rezystancji
termicznej od mocy wydzielanej w diodzie Schottky’ego oraz od temperatury otoczenia. Jak pokazano w pracy, kształt charakterystyk statycznych diod z węglika
krzemu silnie zależy od temperatury oraz zjawiska samonagrzewania. Natomiast w
przypadku właściwości dynamicznych, takich jak np. odzyskiwanie zdolności zaworowych, wpływ temperatury jest pomijalnie mały.
LITERATURA
1. Dąbrowski J., Modelowanie diod Schottky’ego mocy z uwzględnieniem efektów termicznych, praca
doktorska, Politechnika Łódzka, Łódź 2007.
2. Górecki K., Zarębski J., Estymacja parametrów modelu termicznego elementów półprzewodnikowych, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, 2006, nr 3, s. 347–360.
30
3. Zarębski J., Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach
półprzewodnikowych i układach elektronicznych, Prace Naukowe Wyższej Szkoły Morskiej
w Gdyni, Gdynia 1996.
4. Zarębski J., Dąbrowski J., Non-isothermal Characteristics of SiC Power Schottky Diodes, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion SPEEDAM,
June 2008, Ischia, Italy, s. 1363–1367.
Strony internetowe:
5. http://www.st.com/internet/analog/product/247766.jsp.
EVALUATION OF USEFULNESS OF THE ELECTROTHERMAL MODEL
OF THE SILICON CARBIDE POWER SCHOTTKY DIODE
IN MODELING OF NEW TYPES OF DIODES CONTAINING
THE METAL-SEMICONDUCTOR JUNCTION
Summary
In the paper the electrothermal model of the SiC power Schottky diode is presented. The model was
experimentally verified and its usefulness for modeling new types of commercially accessible silicon
carbide diodes was evaluated. The research were performed for diode STPSC806D offered on the
market since 2009.
Keywords: power Schottky diode, silicon carbide, electrothermal model.

wyznaczanie charakterystyk diody schottky`ego z węglika krzemu z

Transkrypt

Podobne dokumenty

Ćwiczenie 1 - Badanie właściowości diod połprzewodnikowych

Światła dzienne tanie i drogie - co wybrać?