快速軟恢復(fù)二極管模塊化技術(shù)與應(yīng)用

摘要  
  在高頻應(yīng)用中為了減少電路損耗和防止過電壓尖峰對器件的損壞，需要快速軟恢復(fù)二極管。硬開關(guān)過程中存在二極管反向恢復(fù)電流（Irm）增加了開關(guān)器件開通損耗率和過電壓尖峰，并且在快速di/dt開關(guān)時(shí)能夠產(chǎn)生電磁干擾。本文介紹了采用特殊工藝設(shè)計(jì)的快速軟恢復(fù)二極管。該二極管是為高頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，在高頻應(yīng)用方面具有穩(wěn)定的開關(guān)特性。本文還介紹了用該二極管制造的200A絕緣型和非絕緣型快速軟恢復(fù)二極管模塊及其應(yīng)用。
 
  1．快速軟恢復(fù)二極管介紹
  大功率快速軟恢復(fù)二極管主要應(yīng)用在高頻電力電子電路中，它與主回路中的晶閘管或IGBT等新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件相并聯(lián)，開關(guān)器件反向時(shí)，流過負(fù)載中的無功電流，減小電容的充電時(shí)間，同時(shí)抑制因負(fù)載電流瞬時(shí)反向而感應(yīng)的過電壓尖峰。為了提高開關(guān)器件及電力電子線路的可靠性和穩(wěn)定性，必須使用快速軟恢復(fù)二極管。
  快速軟恢復(fù)二極管可以減少高頻電路的損耗。在硬開關(guān)過程中存在的主要問題是：二極管反向恢復(fù)電流（Irm）增加了開關(guān)器件開通損耗率，并且在快速di/dt開關(guān)時(shí)能夠產(chǎn)生電磁干擾。如果反向恢復(fù)電流很快回到零點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓和電磁干擾。降低開關(guān)速度或使用緩沖電路可以降低尖峰電壓。增加緩沖電路會(huì)增加電路成本并且使電路設(shè)計(jì)變復(fù)雜。這都是我們所不希望的。
  本文介紹了快速軟恢復(fù)二極管及其模塊。該模塊電壓范圍從400V到1200V，額定電流從60A～400A不等。設(shè)計(jì)上該模塊采用外延二極管芯片，該芯片采用平面結(jié)終止結(jié)構(gòu)，玻璃鈍化(圖1)并有硅橡膠保護(hù)?；謴?fù)特性如圖2所示。

  快速軟恢復(fù)二極管的基區(qū)和陽極之間采用緩沖層結(jié)構(gòu)，使得在空間電荷區(qū)擴(kuò)展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并且駐留時(shí)間更長，提高了二極管的軟度?？旎謴?fù)二極管的軟度由圖2定義。
  軟度因子  
  反向峰值電壓由下式確定：   VR為加在二極管上的反向電壓。
  二極管道軟度因子越大，在關(guān)斷過程中產(chǎn)生的反向峰值電壓越低，使開關(guān)器件及整個(gè)電路處于較安全的狀態(tài)。一般國內(nèi)生產(chǎn)的快速二極管其反向恢復(fù)時(shí)間較長，大約在1～6µs，軟度因子約為0.3，國內(nèi)有多家整流器制造公司也在研究快速軟恢復(fù)二極管，電流較大，但軟度因子在0.4～0.6之間。
  傳統(tǒng)的快速整流二極管使用摻金或鉑的外延片以控制載流子壽命，但這些二極管表現(xiàn)出了以下的技術(shù)缺點(diǎn)：
  1．正向電壓降Vf隨著溫度的升高而降低；
  2．高溫下漏電流大；
  3．高溫下快速di/dt時(shí)開關(guān)不穩(wěn)定。
  有一種二極管稱為SONIC二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間比較長，約0.2～0.4µs，軟度因子在0.7左右。在制造中除了采用平面結(jié)終止結(jié)構(gòu)，玻璃鈍化并有硅橡膠保護(hù)外，還采用了從硅片背面進(jìn)行深擴(kuò)散磷和控制軸向壽命抑制因素，使快速二極管的反向恢復(fù)電流衰減較慢，具有反向“軟恢復(fù)”特性，防止在高頻應(yīng)用時(shí)在硬關(guān)斷過程中產(chǎn)生過高的反向尖峰電壓，保護(hù)了開關(guān)器件及其二極管自身。該二極管在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，并且對于溫度的變化正向電壓降的變化可以忽略不計(jì)。該二極管是為高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的，在高頻應(yīng)用時(shí)穩(wěn)定可靠。
新的快速軟恢復(fù)二極管——SONIC二極管系列克服了這些缺點(diǎn)，它們的優(yōu)點(diǎn)為：
  1．并聯(lián)二極管工作時(shí)正向電壓降Vf與溫度無關(guān)；
  2．阻斷電壓穩(wěn)定，漏電流比摻金和鉑的小；
  3．快速軟恢復(fù)二極管在高溫下反向漏電流從 25℃到125℃比摻鉑FRED少50%。
  SONIC二極管采用磷深擴(kuò)散和軸向壽命抑制因素，電壓從600V至1800V，如圖3所示。在硼中受控的軸向壽命抑制因素用來控制區(qū)域1中空穴的發(fā)射效率。區(qū)域2所示的軟N區(qū)為軟恢復(fù)提供了額外電荷?？昭ǖ妮^低的發(fā)射效率使得器件的正向電壓降對溫度不太敏感，這有利于二極管并聯(lián)工作，并且在高溫時(shí)開關(guān)損耗最小。利用電子輻照作為附加的標(biāo)準(zhǔn)壽命抑制因素，二極管的軟度可以得到進(jìn)一步控制。   該二極管恢復(fù)波形異常的平滑沒有振蕩，所以電磁干擾EMI值非常低。這種軟恢復(fù)二極管不僅導(dǎo)致開關(guān)損失減少，而且允許去除二極管的并聯(lián)RC緩沖器。采用軸向壽命抑制因素可以得到最佳性能的二極管。
  電力電子學(xué)中的功率開關(guān)器件（IGBT、MOSFET、BJT、GTO）總是和快速二極管相并聯(lián)，在增加開關(guān)頻率時(shí)，除傳導(dǎo)損耗以外，功率開關(guān)的固有的功能和效率均由二極管的反向恢復(fù)特性決定（由圖2的Qrr, IRM和Irr特性表示）。所以對二極管要求正向瞬態(tài)壓降小，反向恢復(fù)時(shí)間斷，反向恢復(fù)電荷少，并且具有軟恢復(fù)特性。
  反向峰值電流IRM是另一個(gè)非常重要的特性。反向電流衰變的斜率dirr/dt由芯片的工藝技術(shù)和擴(kuò)散參數(shù)決定。在電路中，這個(gè)電流斜率與寄生電感有關(guān)，例如連接引線，引起過電壓尖峰和高頻干擾電壓。dirr/dt越高（“硬恢復(fù)”特性），二極管和并聯(lián)的開關(guān)上產(chǎn)生的附加電壓越高。反向電流的緩慢衰減（“軟恢復(fù)”特性）是令人滿意的特性。所有的FRED二極管都采用了“軟恢復(fù)”特性，SONIC二極管的恢復(fù)特性更“軟”，它們的阻斷電壓范圍寬，使這些快速軟恢復(fù)二極管能夠作為開關(guān)電源(SMPS)的輸出整流器，以及逆變器和焊接電源中的功率開關(guān)的保護(hù)二極管和續(xù)流二極管。
 
  2．快速軟恢復(fù)二極管的一種方法 
  2.1采用緩沖層結(jié)構(gòu)的軟恢復(fù)二極管 
  采用緩沖層結(jié)構(gòu)顯著改善了二極管的反向恢復(fù)特性。為了縮短二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，提高反向恢復(fù)軟度，同時(shí)使二極管具有較高的耐壓，采用了緩沖層結(jié)構(gòu)，即利用雜質(zhì)控制技術(shù)由輕摻雜的N1區(qū)及較重?fù)诫s的N2區(qū)組成N基區(qū)；二極管的陽極采用由輕摻雜的P區(qū)與重?fù)诫s的P＋區(qū)鑲嵌組成，
  該P(yáng)－P＋結(jié)構(gòu)可以控制空穴的注入效應(yīng)，從而達(dá)到控制自調(diào)節(jié)發(fā)射效率和縮短反向恢復(fù)時(shí)間的目的。   2.2 芯片設(shè)計(jì)
  2.2.1 原始硅片  
  根據(jù)二極管電壓要求，同常規(guī)低導(dǎo)通壓降二極管設(shè)計(jì)參數(shù)相同。
  2.2.2擴(kuò)散參數(shù)設(shè)計(jì)
  采用正三角形P+短路點(diǎn)結(jié)構(gòu)，輕摻雜的P區(qū)表面濃度約為10¹⁷cm^－3，短路點(diǎn)濃度約為10¹⁹cm^－3。  
  陰極面N₁表面濃度約為10¹⁸cm^－3，N₂表面濃度約為10²⁰cm^－3。
 
  2.3 少子壽命控制  
  目前少子壽命控制方法基本上有三種，摻金、摻鉑和輻照，輻照也有多種方法，最常用的方法是高能電子輻照。緩沖層結(jié)構(gòu)的快速二極管的少子壽命控制方法是采用金輕摻雜和電子輻照相結(jié)合的辦法。   從能帶示意圖中可以看出，在兩個(gè)高補(bǔ)償區(qū)之間形成一個(gè)電子陷阱。當(dāng)二極管處于反偏時(shí)，電子從二極管陰極面抽走，這一陷阱起到了一定的限制作用，使電子不易抽走，而與空穴在此復(fù)合，從而延長了反向恢復(fù)時(shí)間中tb這一段，提高了快速二極管的軟度因子S。
 
  3．快速軟恢復(fù)二極管模塊 
  通態(tài)特性顯示，在額定電流下正向電壓降不受溫度影響，從而使它更適用于并聯(lián)工作。在125℃ 時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗比標(biāo)準(zhǔn)摻鉑FRED減少50%。以上特性使得該軟恢復(fù)二極管特別適合工業(yè)應(yīng)用。
  利用上述FRED二極管和SONIC二極管我們開發(fā)了快速軟恢復(fù)二極管模塊，有絕緣型和非絕緣型二大類，絕緣型電流從40A～400A，最高電壓達(dá)到1200V，絕緣電壓大于2500V，反向恢復(fù)時(shí)間最小為40ns；非絕緣型電流為200A（單管100A），電壓從400V至1200V，反向恢復(fù)時(shí)間根據(jù)用戶要求，可從40ns至330ns。
  由于采用模塊結(jié)構(gòu)，寄生電感較小，并且防止了高頻干擾電壓和過電壓尖峰。
  下面為200A絕緣型和非絕緣型快速軟恢復(fù)二極管模塊外觀和尺寸以及連接圖。    
  4.快速軟恢復(fù)二極管及其模塊的應(yīng)用
  快速軟恢復(fù)二極管的阻斷電壓范圍寬，使它們能夠作為開關(guān)電源(SMPS)的輸出整流器，以及逆變器和焊接電源中的功率開關(guān)的保護(hù)二極管和續(xù)流二極管。
  快速軟恢復(fù)二極管模塊廣泛應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：
  ·高頻開關(guān)器件的反并聯(lián)二極管；
  ·變流器的續(xù)流二極管；
  ·感應(yīng)加熱和熔煉；
  ·不間斷電源（UPS）；
  ·超聲波清洗器和焊機(jī)等。
  200A絕緣型快速軟恢復(fù)二極管模塊在中頻感應(yīng)加熱電源、超音頻電源得到了廣泛的應(yīng)用，雙塔型非絕緣型超快速二極管模塊的需求量也很大。這里不一一列舉了。 



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