BADANIA WŁAŚCIWOŚCI PRZYRZĄDÓW ... - Instytut Elektrotechniki

Andrzej MICHALSKI
Krzysztof ZYMMER
BADANIA WŁAŚCIWOŚCI PRZYRZĄDÓW
ENERGOELEKTRONICZNYCH
Z WĘGLIKA KRZEMU (SiC)
W WARUNKACH KOMUTACJI PRĄDU
Z WYSOKĄ CZĘSTOTLIWOŚCIĄ
STRESZCZENIE W artykule omówiono właściwości materiałów
półprzewodnikowych nowej generacji ze szczególnym uwzględnieniem
węglika krzemu. Przedstawiono wyniki pomiarów przejściowego
prądu wstecznego i dynamicznego napięcia przewodzenia przy
stromości zmian prądu w przyrządzie wynoszącej 500 A/μs. Porównano
te dane z odpowiednimi parametrami określonymi dla ultraszybkich
diod krzemowych. Przedstawiono wyniki badań strat mocy
w diodach z węglika krzemu przy komutacji prądu z częstotliwością
(10 ÷ 200) kHz, porównując je z odpowiednimi danymi określonymi
dla szybkich diod krzemowych. Przedstawiono także wyniki badań
strat mocy w tranzystorze przełączającym z wysoką częstotliwością
i współpracującym w procesie komutacji prądu z diodą z węglika
krzemu i odpowiednio z diodą krzemową.
Słowa kluczowe: węglik krzemu, półprzewodnikowe przyrządy mocy,
dioda Schottky
mgr inż. Andrzej MICHALSKI
e-mail: a.michalski@iel.waw.pl
doc. dr hab. inż. Krzysztof ZYMMER
e-mail: k.zymmer@iel.waw.pl
Instytut Elektrotechniki w Warszawie
Zakład Przekształtników Mocy
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009

6 A. Michalski, K. Zymmer
1. WPROWADZENIE
Prowadzone w latach 90-tych ubiegłego wieku prace badawcze nad
nowymi materiałami półprzewodnikowymi doprowadziły w efekcie do wprowadzenia
do produkcji przyrządów półprzewodnikowych o właściwościach istotnie
korzystniejszych od odpowiednich przyrządów bazujących na krzemie. Dotyczy
to zwłaszcza parametrów dynamicznych szczególnie istotnych podczas pracy
układów przekształtnikowych z wysoką częstotliwością, a także temperatury
pracy. Jednym z materiałów stosowanych obecnie w technice półprzewodnikowej
jest węglik krzemu (SiC). Przyrządy energoelektroniczne (diody Schottky)
wytwarzane na bazie tego materiału charakteryzują się obecnie parametrami
granicznymi napięcia i prądu rzędu 1200 V i kilkudziesięciu amperów. Można
już na bazie tych przyrządów projektować przekształtniki, o mocy kilku, a przy
łączeniu równoległym elementów – kilkunastu kilowatów, pracujące z częstotliwością
wyższą, niż umożliwiają to odpowiednie przyrządy bazujące na krzemie.
Ponieważ przyrządy te są elementami stosunkowo nowymi, ważne jest poznanie
ich właściwości, prowadzone zwłaszcza przez badania eksperymentalne
w przekształtnikach o różnych topologiach. Uzyskane wyniki będą stanowiły
istotny materiał pomocny przy opracowywaniu konkretnych urządzeń o różnym
przeznaczeniu. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań diod unipolarnych
SiC prowadzone w układzie testującym o częstotliwości zmienianej
w granicach (10 ÷ 200) kHz. Zaprezentowano także dane porównawcze dotyczące
właściwości diod SiC oraz ultraszybkich bipolarnych diod krzemowych.
2. NOWE MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Do poszukiwań nowych materiałów, z których można wykonać przyrządy
półprzewodnikowe, skłania narastające zapotrzebowanie na przyrządy działające
w temperaturach zdecydowanie wyższych, niż pozwalają na to możliwości
krzemu (Si). Właściwości przyrządów krzemowych ulegają degradacji przy
wyższych temperaturach, które mogą występować w zastosowaniach motoryzacyjnych,
w przemyśle chemicznym czy też w technice kosmicznej. W tych
przypadkach za najbardziej obiecujący nowy materiał półprzewodnikowy uważa
się węglik krzemu (SiC). Istotny dla oceny materiału półprzewodnikowego
parametr, energia pasma zabronionego, wynosi dla węglika krzemu 3,0 eV
wobec 0,5 eV dla krzemu. Ponadto węglik krzemu charakteryzuje się większą

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 7
przewodnością cieplną niż krzem, wyższą temperaturą pracy – do 650°C
i dopuszcza stosowanie gęstości prądu do ok. 400 A/cm 2 . Jest to materiał
bardzo wytrzymały mechanicznie, a napięcia znamionowe wykonanych z niego
przyrządów półprzewodnikowych mogą osiągać wartości do około 20 kV.
Innym materiałem przyszłościowym dla następnych generacji przyrządów
energoelektronicznych jest arsenek galu (GaA), który wykazuje wyższą ruchliwość
nośników prądu i większą szerokość pasma zabronionego niż krzem.
Ocenia się, że perspektywicznym materiałem półprzewodnikowym jest
syntetyczny diament charakteryzujący się dużą wartością pasma zabronionego
(ok. 5 eV), doskonałą przewodnością cieplną, wysoką temperaturą pracy oraz
większą łatwością otrzymywania monokryształów o dużych powierzchniach, niż
w przypadku materiałów o charakterze związków chemicznych, jakimi są arsenek
galu czy węglik krzemu. Podstawowe właściwości różnych materiałów
półprzewodnikowych zestawiono w tabeli 1.
TABELA 1
Podstawowe właściwości wybranych materiałów półprzewodnikowych do produkcji przyrządów
mocy
Szerokość pasma
zabronionego [E q ]
Dopuszczalna temperatura
pracy [T jmax ]
Czas życia nośników
mniejszościowych przy
napięciu 1 kV w obszarze
unoszenia [τ p ]
Graniczna częstotliwość
pracy [f]
Dopuszczalna gęstość
ciągłego prądu
przewodzenia [j]
Krzem (Si)
Arsenek
galu
(GaAs)
Węglik
krzemu
(SiC)
Diament
Jednostka
1,1 1,4 3,0 5,0 EV
do 200 do 400 do 650 ponad 800 °C
1200 110 40 7 ns
0,5 1 … 3 1 … 3 2 … 5 MHz
100…200 150…300 400 800 A/cm 2
Przewodność cieplna [λ] 1,5 0,5 5 20 [W/cm ⋅ K]
3. WŁAŚCIWOŚCI WĘGLIKA KRZEMU
Węglik krzemu (SiC) należy do grupy materiałów o dużej twardości i jest
również stosowany jako pokrycie koronek wiertniczych, ostrzy pił oraz jako

8 A. Michalski, K. Zymmer
materiał ścierny. Charakteryzuje się dużą odpornością na wysoką temperaturę,
promieniowanie radioaktywne i jednocześnie jest dobrym przewodnikiem ciepła.
Kryształ z węglika krzemu składa się z równej liczby atomów krzemu i węgla
w sześciokątnej sieci krystalicznej. Ze względu na połączenia czworościenne,
alternatywne atomy Si i C płaszczyzn sieci krystalicznej są wzajemnie przesunięte,
zaś kolejność ich rozmieszczenia daje różnorodność polikryształów. Do
najbardziej popularnych należą kryształy o strukturach oznaczanych jako 3C,
4H oraz 6H, które wykazują tę samą stałą siatki krystalicznej w płaszczyźnie
podstawowej, ale różniące się właściwościami elektrycznymi. Energia pasma
zabronionego trzech wymienionych polikryształów wynosi odpowiednio 2,35 eV,
3,25 eV oraz 3,00 eV. Prędkość unoszenia elektronów w stanie nasycenia jest
dwukrotnie wyższa niż w krzemie, a natężenie pola elektrycznego powodującego
przebicie jest około sześciokrotnie większe niż w przypadku krzemu (Si).
Te właściwości powodują, że na bazie z węglika krzemu można uzyskać bardzo
szybkie diody unipolarne na napięcie U RRM = 1200 V, podczas gdy napięcie
wsteczne odpowiednich przyrządów (szybkich) wykonanych na bazie krzemu
nie przekracza 200 V.
Węglik krzemu wykazuje doskonałą stabilność cieplną i chemiczną, nie
absorbuje domieszek w żadnej temperaturze roboczej i jest nieczuły na kwaśne
czynniki trawiące. Właściwości te powodują, że przyrządy wykonane z tego
materiału wykazują dobrą niezawodność w wyższych temperaturach i w środowiskach
agresywnych chemicznie. Z trzech wymienionych rodzajów kryształów
węglika krzemu wyróżnić należy 4H – SiC ze względu na najwyższą
ruchliwość elektronów. Na tym materiale bazują prawie wszystkie produkowane
przyrządy energoelektroniczne SiC.
Jednak w warunkach produkcyjnych występują trudności w uzyskiwaniu
kryształów węglika krzemu o jednorodnych właściwościach na pożądanych
większych powierzchniach, niezbędnych dla otrzymania przyrządów na większe
obciążalności prądowe. Obecny poziom technologii pozyskiwania węglika
krzemu pozwala na wykonywanie przyrządów o powierzchni do około 10 mm 2 ,
co odpowiada obciążalności prądowej około 20 A.
Diody Schottky wykonane z węglika krzemu charakteryzują się dodatnim
współczynnikiem temperaturowym spadku napięcia w kierunku przewodzenia,
co ułatwia pracę równoległą takich diod i tym samym łagodzi niedogodność
wynikającą z ograniczeń technologicznych wykonywania pojedynczych diod
o dużej obciążalności prądowej.
Istnieją już przykłady stosowania w układach eksperymentalnych przyrządów
z węglika krzemu o bardzo wysokich parametrach napięcia wstecznego
i prądu przewodzenia. Japońska firma Kansai Electric Co zastosowała diody
SiC na napięcie 3 kV i prąd 600 A jako diody zwrotne (przeciwrównoległe)

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 9
tranzystorów IGBT. Takie rozwiązanie zastosowano w przekształtniku o mocy
110 kVA, pracującym z częstotliwością 2 kHz, przeznaczonym do poprawy
parametrów sieci elektroenergetycznej. Jednak rozwiązania tego rodzaju dotyczą
układów eksperymentalnych wyposażonych w przyrządy półprzewodnikowe
wykonane w laboratoriach.
Graniczne parametry oferowanych obecnie na rynku diod Schottky z węglika
krzemu w obudowie TO220 wynoszą 20 A, 1200 V (w wykonaniu chip
40 A) a tranzystorów MESFET 10 A i 48 V. Produkcja rynkowa musi być
bowiem efektywna ekonomicznie, co warunkowane jest ustabilizowaną powtarzalną
technologią, gwarantującą odpowiednie procentowe uzyski przyrządów
o założonych parametrach w stosunku do całej populacji wytwarzanych elementów.
4. MINIATURYZACJA URZĄDZEŃ
PRZEKSZTAŁTNIKOWYCH PRZEZ STOSOWANIE
TECHNIKI WYSOKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI
W różnego rodzaju urządzeniach energoelektronicznych przeznaczonych
do przekształcania energii elektrycznej, takich jak zasilacze AC/DC lub DC/DC
z izolacją transformatorową, uzyskuje się istotne korzyści przez stosowanie
w tych układach wysokiej częstotliwości, np. 100 kHz i wyższej. Pozwala to
wielokrotnie zmniejszyć gabaryty i cenę podzespołów biernych układu, takich
jak transformatory separujące oraz dławiki i kondensatory filtrów. Wprowadzenie
do układów energoelektronicznych przekształcania energii z wysoką
częstotliwością wiąże się ze spełnieniem kilku wymagań w odniesieniu zarówno
do przyrządów półprzewodnikowych, jak i podzespołów biernych.
Straty mocy w rdzeniach transformatorów, a także dławików, składają się
z tzw. strat histerezowych i strat spowodowanych prądami wirowymi, przy czym
histerezowe straty mocy wzrastają liniowo z częstotliwością, natomiast straty od
prądów wirowych z kwadratem częstotliwości. Tak więc realizacja omawianych
układów energoelektronicznych przy wykorzystaniu tradycyjnych materiałów
magnetycznych jest praktycznie niemożliwa. Dopiero wprowadzenie materiałów
magnetycznych nowej generacji, takich jak rdzenie amorficzne i nanokrystaliczne
o istotnie zmniejszonej stratności umożliwia, racjonalne z punktu widzenia
z techniczno-ekonomicznego, przekształcanie energii z wysoką częstotliwością,
a więc miniaturyzację służących do tego celu układów energoelektronicznych.

10 A. Michalski, K. Zymmer
Podzespoły magnetyczne w warunkach zwiększonej częstotliwości wymagają
stosowania specjalnego przewodu nawojowego, tzw. licy. Przewód ten
pozwala ograniczyć wpływ charakterystycznego dla wysokich częstotliwości
zjawiska naskórkowości, które powoduje w tych warunkach wzrost rezystancji
przewodów i w efekcie wzrost strat mocy w uzwojeniach.
Innym podzespołem biernym, mającym istotny wpływ na gabaryty układów
energoelektronicznych, są kondensatory w obwodach filtrów. Wymagane
pojemności tych elementów maleją w przybliżeniu proporcjonalnie ze wzrostem
częstotliwości pracy układu przekształtnikowego.
Kolejnym warunkiem stosowania w praktyce omawianych wyżej układów
energoelektronicznych wysokiej częstotliwości było wprowadzenie na rynek
szybko przełączających sterowanych przyrządów półprzewodnikowych, takich
jak tranzystory IGBT, MOSFET, CoolMos, a zwłaszcza super junction IGBT,
a także diod szybkich, stosowanych zarówno jako elementy wykonawcze w prostownikach,
jak i jako diody łączone przeciwrównoległe do tranzystorów. Ostatnio
szczególne nadzieje wiąże się z przyrządami unipolarnymi wykonanymi na
bazie węglika krzemu SiC. Uzyskane parametry napięciowo-prądowe (20 A,
1200 V) umożliwiają budowę prostowników wyjściowych o mocy kilku, a przy
łączeniu równoległym tych przyrządów kilkudziesięciu kilowatów. Należy podkreślić,
że unipolarne diody SiC wykazują dodatni przyrost napięcia przewodzenia
ze wzrostem temperatury struktury złącza, co zapewnia równomierny
rozkład prądu w przyrządach łączonych równolegle. Umożliwia to budowę
prostowników wyjściowych w układach przekształcających energię elektryczną
z częstotliwością rzędu 100 kHz i przy napięciu kilkuset woltów.
5. STRATY MOCY W DIODACH
W diodach pracujących w układach przekształtnikowych z komutacją
prądu występują straty mocy wynikające z charakterystyki statycznej w kierunku
przewodzenia oraz straty mocy związane z komutacją prądu, kiedy dioda
przechodzi ze stanu przewodzenia do stanu zaworowego i odwrotnie, ze stanu
zaworowego w stan przewodzenia. Straty mocy związane z komutacją prądu
w sposób oczywisty zależą od częstotliwości przełączania. Jeżeli energia wydzielana
w przyrządzie przy załączaniu i wyłączaniu wynosi E on + E off, to strata
mocy generowana w tym elemencie przy częstotliwości łączeń f – wyniesie
(E on + E off )*f.
Doprowadzenie do zacisków diody napięcia wstecznego, kiedy dioda jest
w stanie przewodzenia prądu i F , wywołuje proces przejściowy, w którym prąd

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 11
przewodzenia zanika ze stromością uwarunkowaną parametrami RL obwodu
komutacji, a następnie wywołuje narastanie w przeciwnym kierunku dynamicznego
prądu wstecznego, jak ilustruje rysunek 1.
IF
t1
0
IR
UR
I F – prąd w kierunku przewodzenia;
I R – dynamiczny prąd wsteczny;
U R – napięcie na zaciskach diody
Rys. 1. Napięcie i prąd diody w procesie komutacji prądu
Wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego zależy od wartości
prądu przewodzenia przed komutacją, od stromości opadania prądu przewodzenia
oraz od temperatury złącza diody, a przede wszystkim od właściwości
samego przyrządu. Stromość opadania dynamicznego prądu wstecznego jest
uwarunkowana właściwościami samego złącza półprzewodnikowego diody oraz
parametrami RL obwodu komutacji. W praktycznych aplikacjach przekształtników,
z szybką komutacją prądu, wartość szczytowa dynamicznego prądu
wstecznego diod krzemowych może być porównywalna do wartości prądu przewodzenia
przed komutacją. W tym procesie, w przedziale czasu t 1 ,występują
stosunkowo duże straty mocy.
W procesie przechodzenia diod w stan przewodzenia prądu z dużą
stromością jego narastania, występuje zjawisko generowania dynamicznego
spadku napięcia, który jest również źródłem dodatkowych strat mocy, co należy
również brać pod uwagę przy projektowaniu przekształtników do pracy z wysoką
częstotliwością.
Przedstawione zagadnienia strat mocy w diodach dotyczą również
przyrządów półprzewodnikowych, w których diody są zintegrowane w jednej
obudowie modułowej lub w typowej pojedynczej obudowie np. TO247, połączone
przeciwrównolegle z tranzystorem IGBT lub MOSFET.

12 A. Michalski, K. Zymmer
6. STRATY MOCY W STEROWANYCH
PRZYRZĄDACH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Praktycznie prawie każda topologia przekształtnika tranzystorowego zawiera
diody połączone przeciwrównolegle do tranzystorów, np. w tranzystorowych
blokach modułowych dla mostkowych układów falownikowych, jak
również jako elementy niezależne zwierające obwody z podzespołami magnetycznymi,
np. w obwodzie wyjściowym sterownika napięcia stałego. W wymienionych
układach przekształtnikowych zjawiska komutacji prądu w diodach
mają wpływ na procesy włączania prądu przez tranzystory i generują
w tranzystorach dodatkowe straty mocy. W procesie przejmowania prądu
głównego przez włączany tranzystor dioda przechodzi ze stanu przewodzenia
w stan zaworowy, a jej dynamiczny prąd wsteczny płynie przez ten tranzystor.
Przebiegi napięcia i prądu tranzystora ilustruje rysunek 2.
Obszar oznaczony na rysunku jako P1 reprezentuje straty mocy w tranzystorze,
generowane przez dynamiczny prąd wsteczny diody współpracującej
z tranzystorem w procesie komutacji. Obszar P2 określa straty mocy w tranzystorze
pochodzące od prądu obciążenia obwodu głównego.
I R
Uce
0
P1
P2
Iobc
U CE – napięcie kolektor–emiter;
I obc – prąd obciążenia w stanie
ustalonym;
I R – wartość szczytowa prądu
wstecznego diody
Rys. 2. Napięcie i prąd tranzystora w procesie włączania
W analogicznych warunkach pracują tranzystory w układach falownikowych
mostkowych, w których w każdej gałęzi mostka do tranzystora jest
dołączona dioda (przeciwrównolegle). Każdy tranzystor w procesie włączania
przejmuje prąd obciążenia i dynamiczny prąd wsteczny diody włączonej w sąsiednim
ramieniu mostka.

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 13
7. BADANIA EKSPERYMENTALNE
7.1. Właściwości diod w warunkach wysokiej częstotliwości
Wyniki przeprowadzonych badań dają możliwość porównania właściwości
technicznych i walorów użytkowych diod Schottky z węglika krzemu (SiC)
i diod krzemowych (Si), reklamowanych przez producenta jako ultraszybkie do
pracy w układach przekształtnikowych wysokiej częstotliwości. Porównanie jest
szczególnie istotne w aspekcie strat mocy w procesie komutacji prądu.
Należy podkreślić, że krzemowe diody unipolarne mogące pracować
w układach przekształtnikowych wysokiej częstotliwości osiągają napięcia U RRM
nieprzekraczające 200 V i mogą być stosowane w układach o napięciu roboczym
nie większym niż 100 V. Odpowiednie diody wykonane na bazie z węglika
krzemu osiągają napięcia U RRM dochodzące do 1200 V. Dlatego też uznano za
celowe przeprowadzenie badań dla porównania właściwości, w warunkach
wysokiej częstotliwości, unipolarnych diod z węglika krzemu na napięcie 1200 V
i diod krzemowych bipolarnych na napięcie 600 V.
Schemat ideowy układu probierczego ilustruje rysunek 3. W laboratoryjnym
wykonaniu, długość połączeń między diodą badaną, tranzystorem
przełączającym i kondensatorem spełniającym rolę źródła zasilania prądem
stałym, sprowadzono do minimum dla zminimalizowania indukcyjności tych
połączeń i uzyskania możliwie najwyższych stromości opadania i narastania
prądu w procesie komutacji. Duża wartość indukcyjności dławika (L) w obwodzie
obciążenia zapewnia ciągły przepływ prądu praktycznie bez pulsacji. Układ
probierczy jest zasilany ze źródła prądu stałego napięciem 200 V. Funkcję
tranzystora komutującego prąd diod badanych spełniał tranzystor IGBT typu
HGTG12N60A4D firmy Fairchild o parametrach przedstawionych w tabeli 2b.
+ 200V
R
L
Dioda
badana
Rys. 3. Schemat układu probierczego
Tranzystor
kluczujący
- 200V

14 A. Michalski, K. Zymmer
Badania porównawcze przeprowadzono na diodach Schottky z węglika
krzemu typu IDT16S60C firmy Infineon oraz diodach krzemowych HiperFRED
typu DSEP15-06A firmy IXYS, których podstawowe parametry przedstawia
tabela 2a.
TABELA 2
Zestawienie parametrów badanych diod i tranzystorów
a) Parametry diod
Parametr
IDT16S60C (SiC)
Typ diody
DSEP15-06A (Si)
Napięcie wsteczne V RRM 600 V 600 V
Prąd przewodzenia I F 24 A, T C < 100 0 C 15 A, T C < 140 0 C
Spadek napięcia
w kierunku przewodzenia
Maksymalna temperatura
złącza
V F
1,5 V, I F = 16 A, T j = 25 o C
1,7 V, I F = 16 A, T j = 150 o C
2,04, I F = 15 A, T j = 25 o C
1,35V, I F = 15 A, T j =1 50 o C
T j ,
T stg
175 0 C 175 0 C
Typ obudowy TO220 TO220
Rezystancja cieplna R thJC 1,1 K/W 1,6 K/W
Całkowity ładunek
pojemnościowy
Q c
38 nC
Czas wyłączania t c

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 15
Wykorzystano pośrednią metodę wyznaczania całkowitych strat mocy
w przyrządzie półprzewodnikowym, tak zwaną metodę „bocznika cieplnego”.
Metoda polega na wyznaczeniu rezystancji cieplnej radiatora R thc-a przy obciążeniu
przyrządu półprzewodnikowego prądem stałym, co zapewnia możliwość
dokładnego pomiaru strat mocy wydzielonych w przyrządzie – P tot . W warunkach
ustalonych termicznie mierzy się równocześnie temperaturę określonego
punktu radiatora – T c oraz temperaturę otoczenia – T a . Stąd z zależności
R
thc−
a
Tc
− T
=
P
tot
a
wyznacza się rezystancję cieplną radiatora. Znając wartość R thc-a oraz przyrost
temperatury radiatora – (T c – T a ) można wyznaczyć straty mocy wydzielane
w przyrządzie półprzewodnikowym dla dowolnych przebiegów napięcia i prądu
w badanym przyrządzie. Należy podkreślić, że omówiona metoda cieplna daje
najbardziej wiarygodne wyniki pomiaru strat mocy w przyrządach półprzewodnikowych
obciążonych prądem o wysokiej częstotliwości i szybko zmiennych
wartościach chwilowych napięcia i prądu. Jak wykazały doświadczenia bezpośrednie,
pomiary strat mocy w przyrządach półprzewodnikowych oparte przykładowo
na elektronicznych układach pomiarowych mnożących, obarczone są poważnymi
błędami. Błędy te wynikają z odkształceń przebiegów mierzonych
w stosunku do rzeczywistych, co spowodowane jest szybkimi zmianami napięcia
na przyrządzie badanym w procesie komutacji, w granicach od kilku do
kilkuset woltów oraz niezależnie wzajemnym oddziaływaniem torów pomiarowych
prądu i napięcia poprzez pojemności i indukcyjności pasożytnicze.
Pomiary strat mocy w przyrządach półprzewodnikowych prowadzono
przy różnych częstotliwościach komutowania prądu przez tranzystor w obwodzie
probierczym i współczynniku wypełnienia ½. Badane przyrządy były
instalowane na radiatorze „pomiarowym” z chłodzeniem naturalnym konwekcyjnym.
W obliczeniach uwzględniono zależność rezystancji cieplnej radiatora
od jego temperatury na powierzchni w ustalonym punkcie. Tabela 3 ilustruje
porównanie strat mocy w diodach, w warunkach obciążenia prądem w kształcie
prostokątnym o wartości szczytowej 10 A i współczynniku wypełnienia ½ dla
różnych częstotliwości komutacji tego prądu oraz przy obciążeniu prądem
stałym o wartości 10 A.
Przy obciążeniu prądem stałym straty mocy w diodzie z węglika krzemu
są większe niż straty mocy w diodzie krzemowej, co wynika z różnicy ich charakterystyk
prądowo-napięciowych w kierunku przewodzenia. W warunkach
pracy z komutacją prądu (10 A, współczynniku wypełnienia ½), straty mocy
w diodzie krzemowej rosną szybko w miarę wzrostu częstotliwości i przy

16 A. Michalski, K. Zymmer
100 kHz są ponad dwukrotnie wyższe w stosunku do strat mocy w diodzie
z węglika krzemu. Natomiast straty mocy w diodzie z węglika krzemu, w miarę
wzrostu częstotliwości komutacji prądu, rosną w niewielkim stopniu.
TABELA 3
Straty mocy w diodach
Prąd
10A
10A szczyt.
współczynnik
wypełnienia ½
Warunki obciążenia
Częstotliwość
[kHz]
DC (przewodzenie
ciągłe)
Dioda SiC
Straty mocy [W]
Dioda Si
13,10 11,95
10 6,55 6,90
60 6,58 9,80
100 6,62 14,70
200 6,70 -- 1)
1) rezygnacja z pomiaru z powodu przekraczania dopuszczalnych temperatur złącza
Przedstawione wyniki pomiarów potwierdzają walory użytkowe diod
z węglika krzemu i perspektywę rozwoju tej technologii dla zastosowań w technice
przekształtnikowej wysokiej częstotliwości i w aplikacjach przeznaczonych
do pracy w bardzo trudnych warunkach środowiskowych.
W przedstawionym układzie pomiarowym pomierzono również straty
mocy w diodzie krzemowej zintegrowanej w jednej obudowie TO-247 z tranzystorem
IGBT typu HGTG12N60A4D. Przy wartości szczytowej prądu przewodzenia
10 A, współczynniku wypełnienia ½ i częstotliwości komutacji prądu
100 kHz, straty mocy wynoszą 13,7 W i są porównywalne ze stratami mocy
diody krzemowej DSEP15-06A.
Relatywnie duże straty mocy w diodach krzemowych wynikają z dużych
wartości dynamicznego prądu wstecznego charakterystycznego dla tego typu
diod. Przedstawiony na rysunku 4 oscylogram ilustruje przebieg prądu w diodzie
krzemowej DSEP15-06A w procesie przejścia od stanu przewodzenia do
stanu zaworowego, przy czym wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego
jest wyższa od wartości prądu przewodzenia.
Natomiast rysunek 5 przedstawia oscylogram prądu w diodzie IDT16S60C
z węglika krzemu (SiC), w identycznych warunkach pomiarowych jak dla diody
krzemowej. Wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego diody SiC jest
pięciokrotnie mniejsza. W przedstawionych warunkach pomiarowych, w procesie
komutacji, stromość opadania prądu przewodzenia wynosiła około 500 A/µs.

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 17
10A
t
Rys. 4. Prąd diody krzemowej DSEP15-06A w procesie komutacji
10A
t
Rys. 5. Prąd diody z węglika krzemu IDT16S60C w procesie komutacji

18 A. Michalski, K. Zymmer
10A
t
Rys. 6. Prąd diody krzemowej zintegrowanej w jednej obudowie
z tranzystorem IGBT w procesie komutacji
Rysunek 6 przedstawia oscylogram prądu diody zintegrowanej z tranzystorem
HGTG12N60A4D, pracującej w roli diody badanej, przy komutowaniu
prądu za pomocą tranzystora w technologii CoolMOS z częstotliwością 100 kHz.
W tym przypadku wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego jest
prawie czterokrotnie większa od wartości pomierzonej dla diody z węglika
krzemu.
7.2. Dynamiczny spadek napięcia diody
w kierunku przewodzenia
Przy projektowaniu układów przekształtnikowych, szczególnie z komutacją
prądu podwyższonej częstotliwości, często nie docenia się właściwości
diod w procesie narastania prądu przewodzenia. Właściwość ta jest definiowana
jako dynamiczny spadek napięcia w kierunku przewodzenia i występuje
tym intensywniej, im jest większa stromość narastania prądu przewodzenia.
Chwilowe wartości dynamicznego spadku napięcia przewyższają wielokrotnie
wartości spadku napięcia w stanie ustalonego przewodzenia diody
i wynikającego z statycznej charakterystyki U F = f(I F ).
W przebiegu dynamicznego spadku napięcia, mierzonego na zaciskach
zewnętrznych diody w procesie narastania prądu przewodzenia di/dt, można

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 19
wyróżnić składowe wywołane z jednej strony zjawiskami fizycznymi zachodzącymi
w materiale złącza półprzewodnikowego i z drugiej wpływem indukcyjności
połączeń wewnątrz obudowy oraz pojemności złącza. Składowa tego
spadku napięcia, zależna od zjawisk fizycznych zachodzących w materiale
półprzewodnikowym złącza, skutkuje zwiększeniem strat mocy w diodzie tym
bardziej, im większa jest stromość narastania i częstotliwość komutacji prądu.
Indukcyjność połączeń i pojemność złącza powodują, że mierzony przebieg
dynamicznego spadku napięcia ma charakter oscylacyjny. Biorąc pod uwagę
podawaną w materiałach firmowych pojemność wewnętrzną diody z węglika
krzemu typu IDT16S60C wynoszącą 650 pF oraz przyjmując indukcyjność
wewnętrzną 10 nH jako charakterystyczną dla obudowy TO220, to obliczona
częstotliwość takiego obwodu rezonansowego wynosi ok. 57 MHz. Odpowiada
to w dużym przybliżeniu częstotliwości oscylacji zniekształcających przebieg
dynamicznego spadku napięcia przewodzenia diody rejestrowanych metodą
oscyloskopową przy dużej stromości narastania prądu przewodzenia. Zniekształcenia
te będą także wpływały niekorzystnie na wyniki pomiarów strat mocy
w przyrządzie półprzewodnikowym prowadzonych metodą mnożenia chwilowych
wartości napięcia i prądu w przyrządzie badanym. Potwierdza to powyżej
stawianą tezę autorów, że najbardziej wiarygodną metodą pomiaru strat mocy
generowanych w przyrządzie półprzewodnikowym, przy komutacji prądu z wysoką
częstotliwością, jest metoda cieplna.
W różnych topologiach układów przekształtnikowych oscylacyjny przebieg
dynamicznego spadku napięcia diody dodaje się do przebiegu napięcia na
tranzystorach w procesie ich wyłączania, np. w układzie impulsowej regulacji
napięcia stałego, powodując konieczność doboru parametrów napięciowych
tranzystora z dużą rezerwą w stosunku do napięcia roboczego charakterystycznego
dla projektowanej aplikacji.
Z powyższych względów jest interesujące porównanie właściwości diody
krzemowej (Si) i właściwości diody z węglika krzemu (SiC). Rysunek 7 przedstawia
oscylogram dynamicznego spadku napięcia diody krzemowej typu
DSEP15-06A przy stromości narastania prądu przewodzenia ok. 500 A/µs
i wartości prądu w stanie ustalonym 10 A. Podczas pomiaru do zacisków diody
był dołączony równolegle rezystor 10 Ω dla ograniczenia amplitudy oscylacji.
Wartość szczytowa tak pomierzonego przebiegu oscylacyjnego, w chwili rozpoczęcia
procesu narastania prądu przewodzenia, wynosi ok. 18 V, a przedział
czasu zanikania dynamicznego spadku napięcia wynosi ok. 200 ns. Linią
przerywaną wykreślono uśredniony przebieg zmian spadku napięcia, który
można interpretować jako składową zależną od właściwości fizycznych materiału
półprzewodnikowego. Na początku procesu narastania prądu przewodzenia
ta wartość może być szacowana na ok. 10 V.

20 A. Michalski, K. Zymmer
Rys. 7. Dynamiczny spadek napięcia w kierunku przewodzenia
diody (Si) krzemowej
Rysunek 8 przedstawia oscylogram dynamicznego spadku napięcia diody
z węglika krzemu typu IDT16S60C wykonany w analogicznych warunkach pomiarowych,
jak dla diody SiC. Najwyższa wartość szczytowa przebiegu oscylacyjnego
wynosi ok. 11 V, a czas zanikania dynamicznego spadku napięcia wynosi
ok. 100 ns. Wartość uśredniona spadku napięcia na początku procesu
narastania prądu przewodzenia (linia przerywana) może być szacowana na ok. 4 V.
Jak widać, właściwości dynamiczne w kierunku przewodzenia diody
z węglika krzemu, charakterystyczne dla fazy wchodzenia w stan przewodzenia,
są zdecydowanie korzystniejsze w porównaniu z tymi samymi parametrami
diody krzemowej.
Rys. 8. Dynamiczny spadek napięcia w kierunku przewodzenia
diody (SiC) z węglika krzemu

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 21
7.3. Straty mocy w tranzystorze
W omawianym wcześniej układzie pomiarowym (rys. 3) wyznaczono
straty mocy w tranzystorze przełączającym typu IXKR40N60C, produkowanym
w technologii CoolMOS (tab. 2b), dla dwóch różnych warunków pracy:
z diodą Schottky z węglika krzemu typu IDT16S60C (SiC) oraz z diodą krzemową
typu DSEP15-06A (Si). W każdym przypadku wartość szczytowa prądu
przewodzenia tranzystora wynosiła 10 A przy współczynniku wypełnienia ½
i częstotliwości komutacji prądu 100 kHz. W warunkach pracy tranzystora
z diodą krzemową straty mocy w tranzystorze wynosiły 16,2 W, natomiast
w przypadku pracy z diodą SiC straty mocy wynosiły 8,3 W. Przytoczone wyniki
pomiarów są dowodem, w jak dużym stopniu właściwości dynamiczne diody
mają wpływ na straty mocy w tranzystorze w procesie komutacji prądu, szczególnie
w warunkach wysokiej częstotliwości.
Dlatego też rozwój technologii tranzystorów IGBT i MOSFET zmierza
w kierunku wprowadzenia diod z węglika krzemu do zintegrowanych struktur
tranzystor–dioda, połączonych przeciwrównolegle w jednej obudowie. Przykładem
może być firma Edvanced Power Technology Europe, która oferuje na
rynku bloki modułowe z tranzystorami CoolMOS i z zintegrowanymi diodami
SiC. Schemat ideowy takiego bloku modułowego przedstawia rysunek 9.
.
VBUS
Q1
G1
SiC
. .
.
S1
Q2
.
OUT
Rys. 9. Tranzystorowy blok modułowy
z diodami SiC
G2
SiC
S2
.
0/VBUS
8. PRACA RÓWNOLEGŁA DIOD SiC
Przebieg charakterystyki spadku napięcia w kierunku przewodzenia
w funkcji prądu diod z węglika krzemu w różny sposób zależy od temperatury.

22 A. Michalski, K. Zymmer
W zakresie mniejszych wartości prądu przewodzenia, współczynnik temperaturowy
jest ujemny, tak jak w przypadku klasycznych diod krzemowych.
Natomiast dla większych wartości prądu przewodzenia współczynnik temperaturowy
jest dodatni, co ma istotne znaczenie przy równoległym łączeniu diod
i z tym związanym wyrównywaniem rozpływu prądu.
Przeprowadzone pomiary na kilku egzemplarzach diod SiC potwierdzają
wspomniane właściwości charakterystyk w kierunku przewodzenia. Każdą
diodę mocowano raz na radiatorze z chłodzeniem naturalnym konwekcyjnym,
drugi raz na radiatorze z chłodzeniem wodnym i w każdym przypadku diodę
obciążano prądem stałym i mierzono spadek napięcia w kierunku przewodzenia
po ustaleniu się warunków termicznych diody. W ten sposób każda dioda była
badana w dwóch różnych stanach termicznych złącza półprzewodnikowego,
przy przewodzeniu prądu tej samej wartości. Przy chłodzeniu naturalnym,
w warunkach termicznie ustalonych, temperatura na obudowie diody wynosiła
95 0 C ± 4 0 C, natomiast przy chłodzeniu wodnym temperatura na obudowie diody
wynosiła 16 0 C ± 2 0 C. Wyniki pomiarów przedstawia tabela 4.
TABELA 4
Spadki napięcia diod SiC w kierunku przewodzenia
Prąd
[A]
V F [V]
Chłodzenie
naturalne
Dioda nr 1 Dioda nr 2 Dioda nr 3 Dioda nr 4
V F [V]
Chłodzenie
wodne
V F [V]
Chłodzenie
naturalne
V F [V]
Chłodzenie
wodne
V F [V]
Chłodzenie
naturalne
V F [V]
Chłodzenie
wodne
V F [V]
Chłodzenie
naturalne
V F [V]
Chłodzenie
wodne
1 0,970 0,980 0,968 0,982 0,975 0,990 0,965 0,980
2 1,005 1,027 1,002 1,025 1,015 1,025 1,005 1,020
5 1,095 1,160 1,080 1,122 1,110 1,130 1,092 1,120
10 1,281 1,280 1,262 1,263 1,290 1,290 1,260 1,260
V F – spadek napięcia w kierunku przewodzenia
Charakterystyki przewodzenia badanych diod, w zakresie prądu do 10 A,
charakteryzują się ujemnym współczynnikiem temperaturowym tak jak dla
klasycznych diod krzemowych. Natomiast charakterystyki w zakresie powyżej
10 A wykazują wzrost napięcia przewodzenia ze wzrostem temperatury.
Zapewnia to równomierny rozkład prądu w tych przyrządach łączonych
równolegle.
Efektywne wyrównywanie rozpływu prądu w diodach połączonych równolegle
będzie występować, jeśli przy znamionowej wartości prądu obciążenia
całego zestawu diod, przez jedną diodę ma płynąć prąd o wartości co najmniej
10 A, oczywiście przy stosowaniu odpowiedniego układu chłodzenia diod, gwarantującego
nieprzekraczalność dopuszczalnej temperatury złącza półprzewodnikowego
diody.

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 23
Efektywność wyrównywania prądu w diodach połączonych równolegle
może być większa, jeśli każda z diod jest mocowana na osobnym radiatorze
z chłodzeniem powietrznym wymuszonym.
9. WNIOSKI
1. Pomiary przejściowego prądu wstecznego wykonane przy tych samych
wartościach prądu przewodzenia i stromości zaniku tego prądu przy
przechodzeniu przez zero (I F = 10 A, di A /dt = 500 A/μs) dla diody z węglika
krzemu oraz dla superszybkiej diody krzemowej wykazały, że wartość szczytowa
tego prądu dla przyrządu SiC jest kilkakrotnie mniejsza, niż w przypadku
diody Si.
2. Wartości dynamicznego napięcia przewodzenia pomierzone w warunkach
stromości narastania tego prądu (500 A/μs) były dla diody z węglika
krzemu ponad dwukrotnie mniejsze niż odpowiednie wartości określone dla
diody krzemowej. Zależność ta dotyczy zarówno wartości szczytowej oscylacji
przebiegu tego napięcia (wywołanych pojemnością i indukcyjnością własną
diody), jak i uśrednionej wartości tego parametru.
3. Badane typy diod (SiC) i (Si) przy obciążeniu prądem stałym 10 A wykazały
zbliżone wartości strat mocy. Straty mocy w diodzie SiC wyznaczone
przy częstotliwości komutacji prądu zmienianej w granicach (10 ÷ 200) kHz,
wykazały jedynie nieznaczny przyrost w całym zakresie częstotliwości. Natomiast
odpowiednie wartości strat mocy wyznaczone w tych samych warunkach
komutacji prądu i zakresie częstotliwości dla diody krzemowej wykazywały
wyraźny przyrost ze wzrostem częstotliwości. Przy częstotliwości 100 kHz straty
mocy w tej diodzie krzemowej były ponad dwukrotnie większe niż w przyrządzie
z węglika krzemu. Częstotliwość tę ocenia się jako graniczną w danych
warunkach chłodzenia. Dalsze zwiększenie częstotliwości doprowadziłoby do
„przegrzania” przyrządu. Ponieważ dioda SiC ze wzrostem częstotliwości
w granicach (10 ÷ 200) kHz wykazuje jedynie niewielki przyrost strat mocy,
można szacować, że będzie ona spełniać wymagania także przy częstotliwości
komutacji prądu wyższej niż 200 kHz.
4. Zastosowanie diody SiC jako diody współpracującej z tranzystorem
w procesie komutacji prądu istotnie zmniejsza straty mocy w tym przyrządzie
w stosunku do odpowiedniego układu z diodą krzemową. Przykładowo przy
częstotliwości komutacji prądu przewodzenia tranzystora o wartości 10 A i częstotliwości
wynoszącej 100 kHz, straty mocy w tranzystorze przełączającym typu
IXKR40N60C, produkowanym w technologii CoolMOS, przy zastosowaniu super-

24 A. Michalski, K. Zymmer
szybkiej diody krzemowej, były w przybliżeniu dwukrotnie większe, niż odpowiednie
straty generowane z diodą SiC. W podsumowaniu można stwierdzić, że
w przekształtnikach o komutacji prądu z dużą częstotliwością stosowanie diod
z węglika krzemu powoduje generowanie istotnie mniejszych strat mocy w samych
diodach, jak i współpracujących z nimi tranzystorach, niż ma to miejsce przy
stosowaniu nawet bardzo szybkich diod krzemowych.
5. W związku ze stwierdzonymi zakłóceniami mierzonych szybkozmiennych
przebiegów napięcia i prądu badanego przyrządu półprzewodnikowego
autorzy oceniają, że najbardziej wiarygodną metodą wyznaczania strat mocy
w tych warunkach jest metoda cieplna. Metoda ta jest bowiem niewrażliwa na
zniekształcenia wyników pomiarów, powstające w efekcie oddziaływania
indukcyjności i pojemności własnych obwodu pomiarowego, a także odporna na
oddziaływania na te wyniki pól elektromagnetycznych generowanych w obwodzie
głównym.
LITERATURA
1. R. Barlik, J. Rąbkowski, M. Nowak: Układy energoelektroniczne z przyrządami z węglika
krzemu – stan obecny i perspektywy. VI Krajowa Konferencja Elektroniki, Darłówek, 2007.
2. J. M. Hancock: Novel SiC Diode Solves PFC Challenges. Materiały firmy Infineon
Technologies. Power Electronics Technology/June 2006, www.powerelectronics.com.
3. Stuart Hodge Jr: SiC Schottky Diodes in Power Factor Correction. Power Electronics
Technology/August 2004, www.powerelectronics.com.
4. A. Konczakowska, A. Szewczyk, J. Kraśniewski, M. Oleksy: Pomiary parametrów i charakterystyk
statycznych, dynamicznych, szumowych i termicznych przyrządów z SiC. VI Krajowa
Konferencja Elektroniki, Darłówek, 2007.
5. J. Richmond: Hard-Switched Silicon IGBTs?. Cut Switching Losses In Half With Silicon
Carbide Schottky Diodes. Materiały firmy CREE, www.cree.com/power.
6. Ranbir Singh, J. Richmond: SiC Power Schottky Diodes in Power-Factor Correction Circuits.
Materiały firmy CREE, www.cree.com/power.
7. Karta katalogowa firmy APT – Phase leg Series & SiC parallel diodes. Super Junction
MOSFET Power Module – APTC60AM35SCT.
8. Karta katalogowa firmy INFINEON – PrimePACK TM 2 with fast IGBT2 and SiC diode for high
switching frequency – FF600R12IS4F.
9. www.cree.com.
10. www.infineon.com.
Rękopis dostarczono dnia 18.09.2009 r.
Opiniował: prof. dr hab. inż. Roman Barlik

Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) … 25
INVESTIGATIONS INTO PROPERTIES
OF POWER ELECTRONICS DEVICES
MADE OF SILICON CARBIDE
IN CONDITIONS OF COMMUTING CURRENTS
WITH HIGH FREQUENCY
A. MICHALSKI, K. ZYMMER
ABSTRACT The paper discusses properties of semiconductor
materials of the new generation with particular consideration of silicon
carbide. Measurement results of the reverse recovery current and the
dynamic conduction voltage at current change slopes of 500 A/μs are
presented. These data are compared with the corresponding parameters
determined for ultrafast silicon diodes. The results of investigations
of the power losses which are generated at silicon carbide
Schottky diodes at frequency (10 ÷ 200) kHz are presented. These
power losses are composed to power losses generated in silicon
diodes in the same conditions. Results of investigations into power
losses in a transistor switching at high frequency and cooperating in
the commutation process with a silicon carbide diode and a silicon
diode respectively.
Doc. dr hab. inż. Krzysztof ZYMMER ukończył Wydział
Elektryczny Politechniki Warszawskiej w 1962 r. i w tymże
roku rozpoczął pracę w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie.
Podczas swojej praktyki zawodowej zajmował się opracowaniem
metod badań, układów pomiarowych oraz badaniami
własności półprzewodnikowych przyrządów mocy w stałej współpracy
z Z. E. „Lamina” z Piaseczna. Obszar zainteresowań autora
stanowiły:
• wytrzymałość przeciążeniowa i zwarciowa przyrządów
energoelektronicznych,
• zjawiska dynamiczne w stanach przejściowych oraz
obciążalność prądowa tych elementów przy podwyższonych
częstotliwościach,
• stany zwarciowe w przekształtnikach energoelektronicznych dużej mocy.
Od 1991 r. kieruje Zakładem Przekształtników Mocy w Instytucie Elektrotechniki. Jest
autorem i współautorem ponad 130 publikacji i referatów na krajowe i międzynarodowe konferencje
oraz dwóch monografii.

26 A. Michalski, K. Zymmer
Mgr inż. Andrzej MICHALSKI ukończył Wydział Elektryczny
Politechniki Warszawskiej w 1960 r. Od 1959 r. pracuje w Instytucie
Elektrotechniki w Warszawie. W pracy zawodowej specjalizował
się w zakresie:
• metod pomiarowych parametrów przyrządów półprzewodnikowych
mocy,
• zastosowania przyrządów półprzewodnikowych mocy
w przekształtnikach dla spawalnictwa, galwanotechniki, trakcji
elektrycznej, urządzeń radarowych i generatorów ozonu,
• zastosowania przekształtników tyrystorowych i tranzystorowych
w grzejnictwie indukcyjnym średniej i wysokiej
częstotliwości.
Jest współautorem ponad 80 publikacji i referatów na konferencjach krajowych i międzynarodowych.
Jest współautorem licznych opracowań urządzeń energoelektronicznych wdrożonych
do produkcji i eksploatacji, nagrodzonych w konkursach środowiska zawodowego SEP
oraz w konkursach resortowych.