Đo phục hồi ngược Qrr của điốt và so sánh Si với SiC Schottky

Trong mọi bộ nghịch lưu, bộ tăng áp hay mạch cầu, có một khoảng thời gian rất ngắn mà điốt không chịu dẫn theo ý người thiết kế: khi bị phân cực ngược đột ngột, nó vẫn cho dòng chạy ngược qua mình thêm vài chục nano giây nữa. Khoảng thời gian đó sinh ra một xung dòng ngược chồng lên linh kiện đóng cắt đối diện, và nó là nguồn tổn hao mà rất nhiều thiết kế bỏ sót. Đo phục hồi ngược Qrr chính là cách định lượng hiện tượng này. Bài viết đi vào bản chất vật lý của Qrr, vì sao điốt SiC Schottky gần như không có nó, và quan trọng nhất: quy trình đo đúng chuẩn cùng những thiết bị thực sự làm được phép đo đó.

Qrr, trr và Irrm: ba con số nói lên điều gì

Khi một điốt PiN silic dẫn thuận, vùng trôi (drift region) pha tạp nhẹ của nó bị bơm đầy hạt dẫn thiểu số — lỗ trống trong vùng n. Lượng điện tích tích trữ này là cái giá phải trả để có điện trở dẫn thuận thấp. Nhưng khi ta đảo chiều điện áp, điốt không thể chặn ngay: toàn bộ điện tích tích trữ phải được rút ra hoặc tái hợp hết thì lớp nghèo mới hình thành và linh kiện mới chịu được điện áp ngược.

Ba tham số mô tả quá trình đó:

• trr — thời gian phục hồi ngược: khoảng thời gian tính từ lúc dòng qua điốt đi qua điểm không cho tới khi dòng ngược suy giảm về gần bằng không. Đây là thời gian phục hồi trr ghi trên datasheet.
• Irrm — dòng ngược đỉnh: giá trị đỉnh của xung dòng ngược. Xung này cộng thẳng vào dòng của transistor đang bật ở nhánh đối diện.
• Qrr — điện tích phục hồi ngược: tích phân của dòng ngược theo thời gian, tức diện tích nằm dưới đường cong dòng ngược. Về mặt định nghĩa đo lường, Qrr là tích phân dòng ngược chảy qua điốt trong xung thứ hai của phép thử hai xung.

Trong ba con số, Qrr mang ý nghĩa năng lượng rõ nhất, vì tổn hao phục hồi xấp xỉ tích của Qrr với điện áp bus. Đó là lý do Qrr, chứ không phải trr, mới là tham số nên dùng khi so sánh hai linh kiện cho cùng một mạch.

Vì sao điốt SiC Schottky gần như không có Qrr

Khác biệt nằm ở loại hạt dẫn. Điốt Schottky dùng tiếp giáp kim loại — bán dẫn thay cho tiếp giáp p-n, nên nó là linh kiện hạt dẫn đa số: không có sự bơm đáng kể hạt dẫn thiểu số vào vùng trôi, do đó không có điện tích tích trữ cần rút ra khi chuyển sang phân cực ngược.

Điều này không có nghĩa dòng ngược bằng đúng không. Ở điốt SiC Schottky vẫn tồn tại một xung dòng ngược, nhưng bản chất của nó là dòng nạp điện dung tiếp giáp — điện tích thuần dung kháng Qc — chứ không phải điện tích tích trữ của hạt dẫn thiểu số. Hệ quả thực hành rất khác nhau:

• Phụ thuộc nhiệt độ: Qrr của điốt Si tăng mạnh theo nhiệt độ vòng nối, vì thời gian sống của hạt dẫn thiểu số tăng theo nhiệt. Ở SiC Schottky, hành vi phục hồi gần như độc lập với nhiệt độ. Đây là khác biệt quan trọng nhất khi thiết kế cho môi trường nóng.
• Phụ thuộc dòng thuận và di/dt: điện tích phục hồi của điốt Si tăng theo cả dòng thuận trước đó lẫn tốc độ biến thiên dòng. Điện tích dung kháng của SiC Schottky gần như không đổi theo hai yếu tố này.

Vì vậy một con số Qrr đơn lẻ trên datasheet điốt silic hầu như vô nghĩa nếu không kèm bốn điều kiện đo: dòng thuận IF, di/dt, điện áp ngược và nhiệt độ vòng nối.

Phương pháp đo phục hồi ngược Qrr: phép thử hai xung

Qrr là tham số động. Không có cách nào lấy được nó từ phép đo I-V tĩnh hay từ phép đo điện dung. Phương pháp chuẩn công nghiệp là double-pulse test — phép thử hai xung — trên một mạch cầu có tải cảm:

1. Xung thứ nhất bật transistor phía dưới đủ lâu để nạp dòng vào cuộn cảm tải tới giá trị thử nghiệm mong muốn.
2. Tắt transistor. Dòng cuộn cảm buộc phải chuyển sang chạy qua điốt của nhánh đối diện — điốt bước vào trạng thái dẫn thuận.
3. Xung thứ hai bật lại transistor. Điốt bị ép chuyển sang phân cực ngược với một tốc độ di/dt xác định. Chính trong cửa sổ này, dòng ngược xuất hiện và được ghi lại.

Qrr là tích phân của dòng ngược trong cửa sổ đó. Về mặt tiêu chuẩn, phép đo phục hồi ngược của điốt và của điốt thân trong MOSFET dọc quy chiếu theo JESD24-10 của JEDEC (phương pháp đo trr cho điốt drain-source của power MOSFET) và IEC 60747-2 cho điốt chỉnh lưu. Với linh kiện bán dẫn dải rộng, JEDEC còn có ủy ban JC-70 chuyên trách chuẩn hóa phép đo động cho GaN và SiC — đây là mảng tiêu chuẩn vẫn đang hoàn thiện.

Một cảnh báo thực hành: định nghĩa trích xuất trong tiêu chuẩn không phải lúc nào cũng cho kết quả nhất quán khi dạng sóng thực có dao động ký sinh (ringing). Điện cảm vòng lớn làm điểm kết thúc tích phân trở nên mơ hồ, và hai kỹ sư có thể đọc ra hai giá trị Qrr khác nhau trên cùng một dạng sóng. Hãy ghi rõ tiêu chí trích xuất kèm con số, và giữ nguyên tiêu chí đó khi so sánh linh kiện.

Thiết bị nào đo được gì: phân định rõ ràng

Đây là chỗ nhiều nhóm kỹ thuật nhầm lẫn: máy phân tích linh kiện công suất không đo Qrr. Chúng phục vụ nhóm tham số tĩnh và điện tích, và làm việc đó rất tốt.

• Keysight B1506A — máy phân tích linh kiện công suất cho thiết kế mạch: I-V một chiều (Ron, BV, dòng rò, Vth), I-V xung độ rộng tới 10 µs, điện dung Ciss/Coss/Crss dải 1 kHz–5 MHz kể cả C-V ở 3 kV, điện tích cổng Qg, điện trở cổng Rg, cùng phép tính tổn hao dẫn và đóng cắt. Dải tới 3 kV và 1500 A tùy cấu hình, phân giải dòng 10 fA, đo đặc tính nhiệt từ −50 °C đến +250 °C.
• Keysight B1505A — máy phân tích linh kiện công suất kiêm curve tracer, dải rộng từ mức dưới pA lên tới 10 kV và 1500 A, xung 10 µs, đo điện trở dẫn ở mức µΩ. Đây là công cụ dựng đường đặc tuyến và khảo sát vùng đánh thủng.
• Keysight B1500A — máy phân tích tham số bán dẫn, dùng khi trọng tâm là vật liệu và cấu trúc linh kiện hơn là mức công suất.
• Keysight E4990A — máy phân tích trở kháng, phục vụ khảo sát điện dung tiếp giáp theo tần số và điện áp phân cực. Với điốt SiC Schottky, đặc tính C-V chính là thứ quyết định điện tích dung kháng mà ta đo được ở phần trên.

Phép đo Qrr động cần một trong hai hướng: dựng mạch thử hai xung rồi ghi dạng sóng bằng máy hiện sóng có băng thông và đầu dò dòng phù hợp, hoặc dùng thiết bị chuyên dụng. Keysight có dòng PD1500A — máy phân tích linh kiện công suất động kiêm thiết bị thử hai xung — đo trực tiếp phục hồi ngược, đặc tính đóng cắt, điện tích cổng và điện trở dẫn động, tối đa 1200 V và 200 A. Với hướng tự dựng, chất lượng phép đo phụ thuộc gần như hoàn toàn vào khâu đo dòng và điện cảm vòng của đồ gá.

Cây quyết định khi lập kế hoạch đo

Một trình tự thực dụng cho nhóm thiết kế nguồn:

1. Cần so sánh hai linh kiện ứng viên về tổn hao đóng cắt? Bắt buộc đo động bằng phép thử hai xung. Cố định IF, di/dt, VR và nhiệt độ vòng nối; báo cáo Qrr kèm đủ bốn điều kiện đó.
2. Đang cân nhắc thay điốt Si bằng SiC Schottky? Đừng chỉ so con số Qrr trên datasheet. Hãy đo ở đúng nhiệt độ vận hành thực tế — vì đó là nơi khoảng cách giữa hai công nghệ mở rộng ra nhiều nhất.

Về khâu ghi dạng sóng cho phép thử hai xung, cần lưu ý rằng biên độ dòng ngược có thể rất nhỏ so với dòng tải, nên việc chọn thang đo và kiểm soát nhiễu nền quyết định độ tin cậy của tích phân Qrr. Chủ đề này chúng tôi đã bàn riêng trong bài Đo I-V xung cho linh kiện công suất: chặn tự nung để lấy đúng đặc tuyến, nơi kỹ thuật xung cũng được dùng để tách hiệu ứng nhiệt ra khỏi kết quả đo.

Kết luận

Qrr là tham số động, và chỉ phép đo động mới lấy được nó. Máy phân tích linh kiện công suất như B1506A cho bức tranh tĩnh, điện dung và điện tích cổng tới mức 3 kV; phép thử hai xung theo JESD24-10 và IEC 60747-2 cho phần còn lại. Với SiC Schottky, điều đáng chứng minh không phải “Qrr bằng không” mà là Qrr ổn định theo nhiệt độ và di/dt. Kiểm soát tổn hao chuyển mạch điốt bắt đầu từ việc đo đúng đại lượng bằng đúng thiết bị.

Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền của Keysight tại Việt Nam, đồng thời vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Nếu quý vị cần tư vấn cấu hình đo linh kiện công suất, hoặc cần hiệu chuẩn thiết bị đo hiện có, xin liên hệ hotline 0908 173 345 để được kỹ sư hỗ trợ trực tiếp.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.