Es gibt 8 Gründe, warum Siliziumkarbiddioden besser sind als Siliziumdioden
August 4, 2023
1 – Bei gleicher Nennspannung nehmen SiC-Dioden weniger Platz ein als Si
Die dielektrische Durchschlagsfeldstärke von SiC ist etwa zehnmal höher als die von Bauelementen auf Siliziumbasis, und bei einer gegebenen Grenzspannung ist die Driftschicht von SiC dünner und die Dotierungskonzentration höher als bei Bauelementen auf Siliziumbasis. Daher ist der spezifische Widerstand von SiC geringer und die Leitfähigkeit besser.Das bedeutet, dass der SiC-Chip bei gleicher Nennspannung kleiner ist als sein Silizium-Äquivalent.Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung eines kleineren Chips besteht darin, dass die inhärente Kapazität und die damit verbundene Ladung des Geräts bei gegebenem Strom und Nennspannung geringer sind.In Kombination mit der höheren Elektronensättigungsgeschwindigkeit von SiC ermöglicht dies schnellere Schaltgeschwindigkeiten und geringere Verluste als bei Si-basierten Bauteilen.
2-iC-Dioden haben eine bessere Wärmeableitungsleistung
Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist fast 3,5-mal so hoch wie die von Si-basierten Bauteilen, so dass mehr Leistung (Wärme) pro Flächeneinheit abgeführt wird.Während die Verpackung im Dauerbetrieb ein limitierender Faktor sein kann, bietet SiC einen großen Spielraumvorteil und hilft bei der Entwicklung von Anwendungen, die anfällig für vorübergehende thermische Ereignisse sind.Darüber hinaus bedeutet die hohe Temperaturbeständigkeit, dass SiC-Dioden eine höhere Haltbarkeit und Zuverlässigkeit aufweisen, ohne dass die Gefahr eines thermischen Durchgehens besteht.
3 – Unipolare SiC-Dioden haben keine gespeicherte Ladung, die langsamer wird und die Effizienz verringert
SiC-Dioden sind unipolare Schott-Halbleiterbauelemente, bei denen nur ein Großteil der Ladungsträger (Elektronen) Strom transportieren kann.Das bedeutet, dass die Sperrschicht am Übergang nahezu keine Ladung speichert, wenn die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird.Im Gegensatz dazu sind Siliziumdioden mit PN-Übergang bipolare Dioden und speichern Ladungen, die bei Sperrvorspannung entfernt werden müssen.Dies führt zu einer Rückstromspitze, sodass die Diode (und alle zugehörigen Schalttransistoren und Puffer) einen höheren Leistungsverlust haben, während der Leistungsverlust mit der Schaltfrequenz zunimmt.SiC-Dioden erzeugen aufgrund ihrer inhärenten kapazitiven Entladung Sperrstromspitzen bei Sperrvorspannung, ihre Spitzen sind jedoch immer noch um eine Größenordnung niedriger als bei PN-Sperrschichtdioden, was einen geringeren Stromverbrauch sowohl für die Diode als auch für den entsprechenden Schalttransistor bedeutet.
4 – Der Vorwärtsspannungsabfall und der Rückwärtsleckstrom von SiC-Dioden entsprechen denen von Si
Der maximale Durchlassspannungsabfall von SiC-Dioden ist mit dem von ultraschnellen Si-Dioden vergleichbar und verbessert sich immer noch (bei höheren Grenzspannungen gibt es einen leichten Unterschied).Obwohl es sich um eine Schottky-Diode handelt, sind der Sperrleckstrom und der daraus resultierende Stromverbrauch von Hochspannungs-SiC-Dioden bei Sperrvorspannung relativ gering, ähnlich wie bei ultrafeinen Si-Dioden bei gleichen Spannungs- und Strompegeln.Da die SiC-Diode nicht über den Reverse-Charge-Recovery-Effekt verfügt, wird jeder kleine Leistungsunterschied zwischen der SiC-Diode und der ultrafeinen Si-Diode aufgrund des Vorwärtsspannungsabfalls und der Änderungen des Rückwärtsleckstroms durch die Reduzierung des dynamischen SiC-Verlusts mehr als ausgeglichen.
Der Erholungsstrom der 5-SiC-Dioden ist in ihrem Betriebstemperaturbereich relativ stabil, was den Stromverbrauch reduzieren kann
Der Erholungsstrom und die Erholungszeit von Siliziumdioden variieren stark mit der Temperatur, was die Schaltungsoptimierung schwieriger macht, diese Änderung gibt es jedoch bei SiC-Dioden nicht.In einigen Schaltkreisen, wie zum Beispiel der Leistungsfaktorkorrekturstufe „Hard Switch“, kann eine Siliziumdiode, die als Boost-Gleichrichter fungiert, den Verlust von der Vorwärtsvorspannung bei hohem Strom bis zur Rückwärtsvorspannung eines typischen einphasigen Wechselstromeingangs (normalerweise ca 400V D-Busspannung).Die Eigenschaften von SiC-Dioden können die Effizienz solcher Anwendungen erheblich verbessern und Designüberlegungen für Hardware-Designer vereinfachen.
6--SiC-Dioden können ohne die Gefahr eines thermischen Durchgehens parallel geschaltet werden
SiC-Dioden haben gegenüber Si-Dioden außerdem den Vorteil, dass sie parallel geschaltet werden können, da ihr Durchlassspannungsabfall einen positiven Temperaturkoeffizienten (im anwendungsrelevanten Bereich der IV-Kurve) aufweist, was dazu beiträgt, alle Stromungleichmäßigkeiten zu korrigieren.Im Gegensatz dazu kann der negative Temperaturkoeffizient der SiP-N-Diode bei parallel geschalteten Geräten zu einem thermischen Durchgehen führen, was den Einsatz einer erheblichen Leistungsreduzierung oder zusätzlicher aktiver Schaltkreise erfordert, um das Gerät zum Stromausgleich zu zwingen.
7 – Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMI) von SiC-Dioden ist besser als die von Si
Ein weiterer Vorteil der SiC-Dioden-Soft-Switching-Funktion besteht darin, dass sie die EMI erheblich reduzieren kann.Wenn Si-Dioden als Schaltgleichrichter verwendet werden, können die potenziell schnellen Spitzen der Sperrverzögerungsströme (und ihr breites Spektrum) zu Leitung und Strahlungsemission führen.Diese Emissionen erzeugen Systemstörungen (über verschiedene Kopplungspfade), die die EMI-Grenzwerte des Systems überschreiten können.Bei diesen Frequenzen kann die Filterung aufgrund dieser Störkopplung kompliziert sein.Darüber hinaus weisen EMI-Filter, die zur Dämpfung von Schaltgrundfrequenzen und niedrigen harmonischen Frequenzen (normalerweise unter 1 MHz) entwickelt wurden, typischerweise eine relativ hohe Eigenkapazität auf, was ihre Filterwirkung bei höheren Frequenzen verringert.Puffer können in Si-Dioden mit schneller Wiederherstellung verwendet werden, um Flankenraten zu begrenzen und Schwingungen zu unterdrücken, wodurch die Belastung anderer Geräte verringert und EMI reduziert wird.Der Puffer verbraucht jedoch viel Energie, was die Effizienz des Systems verringert.
8 – Der Durchlassverlust der SiC-Diode ist geringer als der von Si
Bei Si-Dioden wird die Verlustleistungsquelle der Vorwärtswiederherstellung oft übersehen.Während des Ein-Zustand-Übergangs vom Aus-Zustand nimmt der Spannungsabfall der Diode vorübergehend zu, was zu Überschwingern, Überschwingen und zusätzlichen Verlusten führt, die mit der geringeren anfänglichen Leitfähigkeit des PN-Übergangs verbunden sind.SiC-Dioden haben diesen Effekt jedoch nicht, sodass Sie sich keine Sorgen über Vorwärtsverzögerungsverluste machen müssen.