快速恢复二极管及其模块

中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集快速软恢复二极管及其模块王培清张斌清华大学电力电子厂北京102201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。关键词快速软恢复二极管模块中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集限按平面睹迪鐵按止结料RM=Vr X?1 + 丄? S?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60A400A 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22所示。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，软度因子反向峰值电压由下式确定:V R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16卩S，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0.40.6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0.20.4 pS，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 25C到125C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 。轴向看渤扌脯因素1区威2X一厂r1N-Mi-r -场1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4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N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PP+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。阳极P +1 p+p+p+|PNN1N2阴极图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扩散参数设计中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集米用正三角形P+短路点结构，轻掺杂的P区表面 浓度约为1017cm3，短路点浓度约为1019cmT。阴极面N表面浓度约为1018cm3, Nt表面浓度约为 20310 cm 。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。一 二 1J1-a d _z-二-V N- D k- 3odg-1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So3.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125C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40A400A ,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：z 高频开关器件的反并联二极管；z 变流器的续流二极管；z 感应加热和熔炼；z 不间断电源（UPS）;中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集z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。参考文献1 . Proceedings of the Fifth International PCIM China Conference on Power Electronics 2006SONIC二极管第4651页2. Power Semiconductor Chips_04-05 ohne Cover2, p5, 2004 IXYS3. 张清纯，快速软恢复大功率二极管的研究，清华大学 研究生论文，p118张海涛，快速软恢复二极管的研究，清华大学研究生论 文，p52 69快速软恢复二极管及其模块作者：王培清，张斌作者单位：清华大学电力电子厂北京102201相似文献(3条)1. 期刊论文 张海涛.张斌快速软恢复二极管的仿真设计-半导体技术2002,27(6)讨论了快速软恢复二极管的工作原理及主要相关参数利用软件SILVACO行仿真设计并用于二极管的制作中.2. 会议论文 张斌.王培清.王均平.志大器 快速软恢复二级管工艺述评2000本文综述了改善快速二极管反赂恢复特性的几种主要工艺及其机重点介绍了减少反向恢复电荷提高反向恢复软度的少子寿命控制方法及多种结;辅助二极管结构、理想欧 姆接触及肖特基势垒结构、自调节发射率结构SIO结构、外延层结构和缓冲层结构等.3. 期刊论文张海涛.张斌快速软恢复二极管的发展现状-世界电子元器件2001,(4)随着电力电子技木的发展各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大这些电力电子电路中的王回路不论是采用换流关断的晶闸还是采用有自关断能力的新型电力电子器f如 GTO,MCT,IGBT都需要一个与之并联的快速二极管以通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高电压由于这些电力电子器件的频率和 性能不断提高为了与其关断过程相匹配该二极管必须具有快速开通和高速关断能力卩具有短的反向恢复时间Tr,较小的反向恢复电流RR和软恢复特性.本文链接：授权使用：湖南工业大学(hngydx),授权号：f88d0b96-50f2-47a9-a8c4-9e2f009e3aa8下载时间：2010年11月15日