1700V沟道和软穿通IGBT配套的高性能CALHD二极管鉴频器
2022-08-10 20:31:39 三旭五金网
1700V沟道和软穿通IGBT配套的高性能CALHD二极管
1700V沟道和软穿通IGBT配套的高性能CALHD二极管 2011年12月10日 来源：
IGBT是现代逆变器的主功率器件，续流二极管是其不可缺少的搭档。在当代的能量转换和能量传输技术中，高功率密度成为人们追求不懈的目标。带沟道门极器件的IGBT和场致截止技术的IGBT就是这种趋势的典型代表。和以前的非穿通性（NPT）功率器件相比，上述两种IGBT的通态损耗都减小了。然而，为了达到上述目标，IGBT模块必须使用优化的续流二极管来完善IGBT的性能以确保器件整体良好的性能。
对续流二极管的总体要求就是在较大的温度和电流范围内具备较低的正向导通压降，较小的恢复电荷和软开关特性。其他一些重要的性能还包括二极管能够并联使用以保证器件能够覆盖很广的功率范围，很好的动态抗冲击性以确保发生短路时能够使器件免于损坏。
我们的方法中使用了轴向载流子寿命控制（CAL）新技术来减小导通压降。轴向载流子寿命控制高密度续流二极管（CAL HD FWD）的设计有两个基本的目标：提高芯片单位面积的有效电流，提高器件的动态性能。轴向载流子寿命控制高密度二极管（CAL HD）是由n+深度搀杂的阴极区和p+搀杂的作为结端子的保护环构成的平板型器件。结端子经过优化设计以适应1700V的阻断电压。载流子寿命受电子扩散和植入的He2+-离子控制，从而造成杂质陷阱的不均一分布，如图1所示。结合阳极和阴极的扩散剖面图，我们认为CAL HD 二极管可以获得较低的恢复峰值电流和较好的软开关特性。
图1： CAL HD 二极管中由电子扩散和He2+-离子植入形成的杂质陷阱的垂直分布截面图
我们用芯片截面积为61 mm2的75A CAL HD作为1700V 高密度二极管系列产品的代表来验证我们提出的方法。图2显示了室温下和125°C时的导通特性。可以看出，第一个杰出的特性就是在额定电流下表现出的dU/dT的正温度系数，这使得二极管并联使用时具备自动均流的能力，从而在大功率器件中CAL HD二极管可以采用这种先进的并联方式；第二个特征就是功率密度显著提高。和标准的截面积为61 mm2 ，额定电流为50A的1700V 轴向载流子寿命控制（CAL）二极管相比，轴向载流子寿命控制高密度二极管（CAL HD）额定电流提高50%。由于电流密度的增加，和标准的CAL二极管相比，CAL-HD二极管的正向冲击电流也提高了14%。
图2：室温和125°C时截面积为61 mm2的75A CAL HD的通态特性
在相同的情况下，通过比较CAL HD搭配沟道型IGBT（3a）和非穿通性IGBT（3b）开关器件时的二极管的软恢复特性，证明了CAL HD二极管和沟道型IGBT有良好的匹配性。用沟道型IGBT作为开关器件，初始导通电流下降到和反向恢复电流峰值IRRM = 55 A一样。而软开关特性表现在恢复电流逐渐降低形成小的拖尾电流。与此相反，由CAL HD二极管和传统的非穿通性IGBT构成的开关组合动态损耗大：在相同的dI/dt 情况下，非穿通性IGBT电压上升的速度(dU/dt=2450 V/µs)是沟道型IGBT速度(dU/dt=800 V/µs)的三倍。反过来沟道型IGBT又能改善CAL HD 二极管的软特性：使用沟道型IGBT进行功率变化的搭配组合可以观察到平稳的尾电流，其软特性因子S=(t2-t1)/(t1-t0)要比非穿通性IGBT配对高出60%。
图3：使用沟道IGBT（a）和非穿通性IGBT（b）作为开关器件的二极管电流和电压波形
图4展示了在很宽的dI/dt变换范围内CAL HD二极管展现出了较低的动态损耗的优异性能。图4展示的参数有反向恢复电荷Qrr，反向峰值电流Irrm以及能量损耗Erec。实线反映的是沟道型IGBT的性能，短画线是非穿通性IGBT的性能。在沟道型IGBT典型的运行条件约1000 A/µs情况下，沟道型IGBT/CAL HD组合要比非穿通性IGBT/CAL HD组合的损耗减少27%。随着频率升高，沟道型IGBT/CAL配对的动态损耗迅速增加，在dI/dt>3000 A/µs时，沟道型IGBT/CAL HD和非穿通性IGBT/CAL HD的损耗几乎相等。同时由于受限于集成门极的阻抗，沟道型IGBT的开关速度限制在3200 A/µs内。
图4
和沟道型IGBT配对（实线）以及和非穿通性IGBT配对（虚线）时作为换向速度函数的CAL HD二极管的动态数据对短路时器件稳定性极为重要的因素就是在极度快速的变换情况下器件内部也不会发生动态的载流子雪崩。即使在这些极端的条件下，CAL HD二极管都表现出较好的软恢复特性，从而证明了和传统的CAL 二极管一样具备良好的动态可靠性