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快速软恢复二极管模块化技术与应用

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 20:43

摘要  
  在高频应用中为了减少电路损耗和防止过电压尖峰对器件的损坏,需要快速软恢复二极管。硬开关过程中存在二极管反向恢复电流(Irm)增加了开关器件开通损耗率和过电压尖峰,并且在快速di/dt开关时能够产生电磁干扰。本文介绍了采用特殊工艺设计的快速软恢复二极管。该二极管是为高频应用而设计的,在高频应用方面具有稳定的开关特性。本文还介绍了用该二极管制造的200A绝缘型和非绝缘型快速软恢复二极管模块及其应用。
 
  1.快速软恢复二极管介绍
  大功率快速软恢复二极管主要应用在高频电力电子电路中,它与主回路中的晶闸管或IGBT等新型电力半导体开关器件相并联,开关器件反向时,流过负载中的无功电流,减小电容的充电时间,同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的过电压尖峰。为了提高开关器件及电力电子线路的可靠性和稳定性,必须使用快速软恢复二极管。
  快速软恢复二极管可以减少高频电路的损耗。在硬开关过程中存在的主要问题是:二极管反向恢复电流(Irm)增加了开关器件开通损耗率,并且在快速di/dt开关时能够产生电磁干扰。如果反向恢复电流很快回到零点,就会产生尖峰电压和电磁干扰。降低开关速度或使用缓冲电路可以降低尖峰电压。增加缓冲电路会增加电路成本并且使电路设计变复杂。这都是我们所不希望的。
  本文介绍了快速软恢复二极管及其模块。该模块电压范围从400V到1200V,额定电流从60A~400A不等。设计上该模块采用外延二极管芯片,该芯片采用平面结终止结构,玻璃钝化(图1)并有硅橡胶保护。恢复特性如图2所示。

快恢复二极管模块结构示意图
图1 
快恢复二极管模块特性曲线
图2 

  快速软恢复二极管的基区和阳极之间采用缓冲层结构,使得在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷,并且驻留时间更长,提高了二极管的软度。快恢复二极管的软度由图2定义。
  软度因子  快恢复二极管的软度公式
  反向峰值电压由下式确定:
快恢复二极管模块反向峰值电压公式 
  VR为加在二极管上的反向电压。
  二极管道软度因子越大,在关断过程中产生的反向峰值电压越低,使开关器件及整个电路处于较安全的状态。一般国内生产的快速二极管其反向恢复时间较长,大约在1~6µs,软度因子约为0.3,国内有多家整流器制造公司也在研究快速软恢复二极管,电流较大,但软度因子在0.4~0.6之间。
  传统的快速整流二极管使用掺金或铂的外延片以控制载流子寿命,但这些二极管表现出了以下的技术缺点:
  1.正向电压降Vf随着温度的升高而降低;
  2.高温下漏电流大;
  3.高温下快速di/dt时开关不稳定。
  有一种二极管称为SONIC二极管,其反向恢复时间比较长,约0.2~0.4µs,软度因子在0.7左右。在制造中除了采用平面结终止结构,玻璃钝化并有硅橡胶保护外,还采用了从硅片背面进行深扩散磷和控制轴向寿命抑制因素,使快速二极管的反向恢复电流衰减较慢,具有反向“软恢复”特性,防止在高频应用时在硬关断过程中产生过高的反向尖峰电压,保护了开关器件及其二极管自身。该二极管在整个工作温度范围内性能稳定,并且对于温度的变化正向电压降的变化可以忽略不计。该二极管是为高频应用设计的,在高频应用时稳定可靠。
新的快速软恢复二极管——SONIC二极管系列克服了这些缺点,它们的优点为:
  1.并联二极管工作时正向电压降Vf与温度无关;
  2.阻断电压稳定,漏电流比掺金和铂的小;
  3.快速软恢复二极管在高温下反向漏电流从 25℃到125℃比掺铂FRED少50%。
  SONIC二极管采用磷深扩散和轴向寿命抑制因素,电压从600V至1800V,如图3所示。在硼中受控的轴向寿命抑制因素用来控制区域1中空穴的发射效率。区域2所示的软N区为软恢复提供了额外电荷。空穴的较低的发射效率使得器件的正向电压降对温度不太敏感,这有利于二极管并联工作,并且在高温时开关损耗最小。利用电子辐照作为附加的标准寿命抑制因素,二极管的软度可以得到进一步控制。
图3   SONIC软恢复二极管的寿命控制 
图3   SONIC软恢复二极管的寿命控制
  该二极管恢复波形异常的平滑没有振荡,所以电磁干扰EMI值非常低。这种软恢复二极管不仅导致开关损失减少,而且允许去除二极管的并联RC缓冲器。采用轴向寿命抑制因素可以得到最佳性能的二极管。
  电力电子学中的功率开关器件(IGBT、MOSFET、BJT、GTO)总是和快速二极管相并联,在增加开关频率时,除传导损耗以外,功率开关的固有的功能和效率均由二极管的反向恢复特性决定(由图2的Qrr, IRM和Irr特性表示)。所以对二极管要求正向瞬态压降小,反向恢复时间断,反向恢复电荷少,并且具有软恢复特性。
  反向峰值电流IRM是另一个非常重要的特性。反向电流衰变的斜率dirr/dt由芯片的工艺技术和扩散参数决定。在电路中,这个电流斜率与寄生电感有关,例如连接引线,引起过电压尖峰和高频干扰电压。dirr/dt越高(“硬恢复”特性),二极管和并联的开关上产生的附加电压越高。反向电流的缓慢衰减(“软恢复”特性)是令人满意的特性。所有的FRED二极管都采用了“软恢复”特性,SONIC二极管的恢复特性更“软”,它们的阻断电压范围宽,使这些快速软恢复二极管能够作为开关电源(SMPS)的输出整流器,以及逆变器和焊接电源中的功率开关的保护二极管和续流二极管。
 
  2.快速软恢复二极管的一种方法 
  2.1采用缓冲层结构的软恢复二极管 
  采用缓冲层结构显著改善了二极管的反向恢复特性。为了缩短二极管的反向恢复时间,提高反向恢复软度,同时使二极管具有较高的耐压,采用了缓冲层结构,即利用杂质控制技术由轻掺杂的N1区及较重掺杂的N2区组成N基区;二极管的阳极采用由轻掺杂的P区与重掺杂的P+区镶嵌组成,
  该P-P+结构可以控制空穴的注入效应,从而达到控制自调节发射效率和缩短反向恢复时间的目的。
图4  采用缓冲层结构二极管示意图 
图4  采用缓冲层结构二极管示意图
  2.2 芯片设计
  2.2.1 原始硅片  
  根据二极管电压要求,同常规低导通压降二极管设计参数相同。
  2.2.2扩散参数设计
  采用正三角形P+短路点结构,轻掺杂的P区表面浓度约为1017cm-3,短路点浓度约为1019cm-3。  
  阴极面N1表面浓度约为1018cm-3,N2表面浓度约为1020cm-3
 
  2.3 少子寿命控制  
  目前少子寿命控制方法基本上有三种,掺金、掺铂和辐照,辐照也有多种方法,最常用的方法是高能电子辐照。缓冲层结构的快速二极管的少子寿命控制方法是采用金轻掺杂和电子辐照相结合的办法。
图5 缓冲层结构的快速二极管的能带示意图 
图5 缓冲层结构的快速二极管的能带示意图
  从能带示意图中可以看出,在两个高补偿区之间形成一个电子陷阱。当二极管处于反偏时,电子从二极管阴极面抽走,这一陷阱起到了一定的限制作用,使电子不易抽走,而与空穴在此复合,从而延长了反向恢复时间中tb这一段,提高了快速二极管的软度因子S。
 
  3.快速软恢复二极管模块 
  通态特性显示,在额定电流下正向电压降不受温度影响,从而使它更适用于并联工作。在125℃ 时的动态损耗比标准掺铂FRED减少50%。以上特性使得该软恢复二极管特别适合工业应用。
  利用上述FRED二极管和SONIC二极管我们开发了快速软恢复二极管模块,有绝缘型和非绝缘型二大类,绝缘型电流从40A~400A,最高电压达到1200V,绝缘电压大于2500V,反向恢复时间最小为40ns;非绝缘型电流为200A(单管100A),电压从400V至1200V,反向恢复时间根据用户要求,可从40ns至330ns。
  由于采用模块结构,寄生电感较小,并且防止了高频干扰电压和过电压尖峰。
  下面为200A绝缘型和非绝缘型快速软恢复二极管模块外观和尺寸以及连接图。
图6  200A绝缘型快速软恢复二极管模块 
图6  200A绝缘型快速软恢复二极管模块
 
图7  200A非绝缘型双塔结构超快速二极管模块 
图7  200A非绝缘型双塔结构超快速二极管模块
 
  4.快速软恢复二极管及其模块的应用
  快速软恢复二极管的阻断电压范围宽,使它们能够作为开关电源(SMPS)的输出整流器,以及逆变器和焊接电源中的功率开关的保护二极管和续流二极管。
  快速软恢复二极管模块广泛应用在以下几个方面:
  ·高频开关器件的反并联二极管;
  ·变流器的续流二极管;
  ·感应加热和熔炼;
  ·不间断电源(UPS);
  ·超声波清洗器和焊机等。
  200A绝缘型快速软恢复二极管模块在中频感应加热电源、超音频电源得到了广泛的应用,双塔型非绝缘型超快速二极管模块的需求量也很大。这里不一一列举了。 




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