炭化ケイ素ダイオードがシリコンダイオードよりも優れている8つの理由

1 -- 同じ定格電圧では、SiC ダイオードは Si よりも占有スペースが小さくなります。

SiC の絶縁破壊電界強度はシリコンベースのデバイスの約 10 倍であり、所定のカットオフ電圧では、SiC のドリフト層はシリコンベースのデバイスよりも薄く、ドーピング濃度は高くなります。そのため、SiC の抵抗率は低くなり、導電率は向上します。これは、同じ定格電圧において、SiC チップが同等のシリコンよりも小さいことを意味します。より小さなチップを使用することの追加の利点は、特定の電流と定格電圧に対して、デバイスの固有静電容量と関連する電荷が小さくなることです。SiC の高い電子飽和速度と組み合わせることで、Si ベースのデバイスよりも高速なスイッチング速度と低い損失が可能になります。

2--iC ダイオードは放熱性能が優れています

SiC の熱伝導率は Si ベースのデバイスのほぼ 3.5 倍であるため、単位面積あたりにより多くの電力 (熱) を放散します。パッケージングは​​連続動作時の制限要因となる可能性がありますが、SiC は大きなマージンの利点を提供し、一時的な熱イベントに対して脆弱なアプリケーションの設計に役立ちます。さらに、高温耐性があるため、SiC ダイオードは熱暴走のリスクがなく、耐久性と信頼性が高くなります。

3 -- ユニポーラ SiC ダイオードには、速度を低下させ効率を低下させる蓄積電荷がありません。

SiC ダイオードは、大部分の電荷キャリア (電子) のみが電流を流すことができるユニポーラ ショット半導体デバイスです。これは、ダイオードが順方向にバイアスされている場合、接合空乏層には電荷がほとんど蓄積されないことを意味します。対照的に、PN 接合シリコン ダイオードはバイポーラ ダイオードであり、逆バイアス中に除去する必要がある電荷を蓄積します。これにより逆電流スパイクが発生するため、ダイオード (および関連するスイッチング トランジスタおよびバッファ) の電力損失が増加しますが、電力損失はスイッチング周波数とともに増加します。SiC ダイオードは、その固有の容量性放電により逆バイアス時に逆電流スパイクを生成しますが、そのピークは依然として PN 接合ダイオードよりも 1 桁低いため、ダイオードと対応するスイッチング トランジスタの両方の消費電力が低くなります。

4 -- SiC ダイオードの順方向電圧降下と逆方向漏れ電流は、Si の順方向電圧降下と逆方向漏れ電流と一致します。

SiC ダイオードの最大順方向電圧降下は、超高速 Si ダイオードの最大順方向電圧降下に匹敵し、さらに改善され続けています (より高いカットオフ電圧定格ではわずかな差があります)。ショットキー型ダイオードであるにもかかわらず、高電圧 SiC ダイオードの逆方向漏れ電流とその結果として生じる消費電力は、同じ電圧および電流レベルの超微細 Si ダイオードと同様に、逆バイアス時に比較的低くなります。SiC ダイオードには逆電荷回復効果がないため、順方向電圧降下や逆漏れ電流の変化による SiC ダイオードと超微細 Si ダイオード間の小さな電力差は、SiC の動的損失の低減によって相殺される以上に大きくなります。

5 -- SiC ダイオードの回復電流は動作温度範囲内で比較的安定しているため、消費電力を削減できます。

シリコン ダイオードのリカバリ電流とリカバリ時間は温度によって大きく変化するため、回路の最適化が難しくなりますが、SiC ダイオードにはこの変化は存在しません。「ハード スイッチ」力率補正段などの一部の回路では、ブースト整流器として機能するシリコン ダイオードが、高電流での順バイアスから一般的な単相 AC 入力の逆バイアスまでの損失を制御できます (通常は約400V D バス電圧)。SiC ダイオードの特性により、このようなアプリケーションの効率が大幅に向上し、ハードウェア設計者の設計考慮事項が簡素化されます。

6 -- SiC ダイオードは熱暴走の危険なしに並列接続可能

また、SiC ダイオードには、順方向電圧降下が正の温度係数 (IV 曲線のアプリケーション関連領域) を持ち、すべての電流の不均一な流れを修正するのに役立つため、並列接続できるという Si ダイオードと比較した利点もあります。対照的に、デバイスが並列接続されている場合、SiP-N ダイオードの負の温度係数が熱暴走を引き起こす可能性があり、デバイスに強制的に電流を等化させるために大幅なディレーティングまたは追加のアクティブ回路の使用が必要になります。

7 -- SiC ダイオードの電磁両立性 (EMI) は Si ダイオードよりも優れています

SiC ダイオードのソフトスイッチング機能のもう 1 つの利点は、EMI を大幅に低減できることです。Si ダイオードをスイッチング整流器として使用すると、逆回復電流 (およびその広いスペクトル) の潜在的な急速なスパイクが伝導と放射線の放出につながる可能性があります。これらの放射は、(さまざまな結合経路を通じて) システム干渉を引き起こし、システム EMI 制限を超える可能性があります。これらの周波数では、このスプリアス結合によりフィルタリングが複雑になる可能性があります。さらに、スイッチング基本周波数と低高調波周波数 (通常 1MHz 未満) を減衰するように設計された EMI フィルタは、一般に比較的高い固有静電容量を備えているため、高周波でのフィルタ効果が低下します。バッファをファストリカバリSiダイオードで使用すると、エッジレートを制限し発振を抑制できるため、他のデバイスへのストレスが軽減され、EMIが低減されます。ただし、バッファは大量のエネルギーを消費するため、システムの効率が低下します。

8--SiCダイオードの順方向回復電力損失はSiよりも低い

Si ダイオードでは、順方向回復による電力損失の原因が見落とされがちです。オフ状態からオン状態への遷移中に、ダイオードの電圧降下が一時的に増加し、その結果、オーバーシュート、リンギング、および初期 PN 接合の導電率の低下に伴う追加の損失が発生します。しかし、SiC ダイオードにはこの影響がないため、順方向回復損失を心配する必要はありません。