IXYS新一代高頻應用SONIC快恢復二極管

  1. 引言
  為了減少高頻應用中的電路損耗需要用快速軟恢復二極管。硬開關(guān)過程中的主要問題是二極管反向恢復電流(Irm)增加了開關(guān)器件的開通損耗，并且在快速di/dt開關(guān)時能夠產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。如果反向恢復電流很快歸零，就會發(fā)生尖峰過電壓和電磁干擾。為了降低尖峰電壓可以降低開關(guān)速度或采用緩沖電路。增加緩沖電路會增加電路成本，并且使電路設(shè)計變得復雜。在過去的10年中，快速二極管發(fā)展方面的重大進步在于優(yōu)化了通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗之間的折中。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： 
  (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時開關(guān)不穩(wěn)定。 
  IXYS公司開發(fā)的600V，1200V及1800V的、新的快速軟恢復二極管－SONIC二極管系列。其反向恢復時間比較長，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外，還采用了從硅片背面進行深擴散磷和控制軸向壽命抑制因素，使快速二極管的反向恢復電流衰減較慢，具有反向“軟恢復”特性，防止在高頻應用時在硬關(guān)斷過程中產(chǎn)生過高的反向尖峰電壓，保護了開關(guān)器件及其二極管自身。該二極管在整個工作溫度范圍內(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。該二極管是為高頻應用設(shè)計的，在高頻應用時穩(wěn)定可靠。 該系列二極管克服了這些缺點，它們的優(yōu)點為： 
  (1)并聯(lián)二極管工作時正向電壓降Vf與溫度無關(guān)； 
  (2)阻斷電壓穩(wěn)定，漏電流比摻金和鉑的??； 
  (3)快速軟恢復二極管在高溫下反向漏電流從 25℃到125℃比摻鉑FRED少50%。 
 
  2. 標準二極管和器件優(yōu)化
  如圖1所示，用外延片制造出電壓從200V到1200V的標準平面型FRED二極管。這些二極管被認為是穿通型二極管，因為在反向偏置條件下，耗盡層在雪崩擊穿發(fā)生之前就展寬到N+襯底。如圖2所示，這些二極管具有帶平面保護環(huán)的PN-N+結(jié)構(gòu)，其中p代表的主結(jié)，N-取決于外延漂移區(qū)的摻雜濃度，N+是村底。保護環(huán)被安置在承受阻斷電壓的最佳距離。FRED二極管采用諸如金或鉑之類的的重金屬作為壽命抑制劑。

  圖3顯示了在25℃和125℃時將鉑、摻金二極管和本文提到的600V SONIC二極管的正向伏安特性曲線。圖4示出用來測試二扱管開關(guān)性能的電感負載測試電路。低摻雜鉑(Pt)二極管和摻金(Au)二極管的開關(guān)波形示于圖5a和圖5b，If=30A、25℃下，Vf=12V。   對正向圧降相同、芯片尺寸和有效面積(12.4mm²)均相同的二極管來說，要區(qū)別它們采用不同的設(shè)計技術(shù)是很困難的。從后面的圖7a，圖7b中可以看到，本文提及的SONIC二極管同摻鉑制造的二極管進行動態(tài)性能的比較，后者的正向壓降較高。
  開關(guān)波形清楚地顯示，雖然摻鉑FRED的反向漏電流比摻金FRED小得多，但在高溫下快速di/dt開關(guān)時摻鉑FRED恢復得很劇烈。此外，在高溫下?lián)浇鸲O管的漏電流比摻鉑二極管的漏電流大得多。因此人們需要根據(jù)各自的應用作出正確的選擇。急劇恢復通常是由漂移區(qū)內(nèi)的少數(shù)載流子突然消失引起的。急劇恢復會產(chǎn)生額外的尖峰電壓，它能損害二極管或電路。然而在襯底前面采用一個N緩沖層可以減少恢復的急劇性。
  應該優(yōu)化N緩沖層的濃度，以減少耗盡層向襯底的擴展，并提供軟恢復所需要的額外電荷。緩沖層濃度很難優(yōu)化，在極端開關(guān)條件下仍然顯示出急劇恢復特性。
  為了在任何條件下都能得到具有軟恢復特性的二極管，IXYS公司開發(fā)了采用深的磷擴散和軸向壽命抑制劑的600V至1800V SONIC二極管，如圖6所示。在硼擴散層中受控的軸向壽命抑制劑被用來控制區(qū)域1中空穴的注入率。區(qū)域2所示的軟N區(qū)為軟恢復提供了額外電荷。較低的空穴注入率使得器件的正向電壓降對溫度不太敏感，這對二極管并聯(lián)運行有利，且在高溫時開關(guān)損耗最小。再利用電子輻照作為附加的均勻壽命抑制劑，二極管的
軟度可以得到進一步控制。   3. 600V摻鉑FRED與SONIC二極管比較
  為了驗證比較SONIC二極管與摻鉑FRED的性能，在不同運行條件下做了一系列感性負載電路的試驗。把SONIC二極管(30A,25℃時Vf=21V)與摻鉑的快速FRED(30A,25 ℃時Vf=25V)進行了比較，圖7(a)至圖8(b)顯示出30A,600V二極管的反向恢復電流波形。這些波形清楚地顯示在所有工作條件下SONIC二極管都不會給出急劇開關(guān)的結(jié)果。從25℃到125℃時SONIC二極管的峰值漏電流的增加值比標準摻鉑FRED減少50%。
  1200V和1800V器件也用相同的設(shè)計原理生產(chǎn)出來，通過優(yōu)化N區(qū)電阻率使分別達到了1240V和1880V的阻斷電圧。20A，1200V二極管(有效面積12.4mm²)典型的開關(guān)結(jié)果如圖9所示；20A，1800V二極管(有效面積9.06mm²)如圖10所示。1200V二極管的開關(guān)條件是：20A，400A/µs，800V；而1800V二極管的開關(guān)條件是20A，400A/µs，1100V。
  600V，1200V和1800V系列的SONIC二極管在80%阻斷電圧的應力條件下依然能夠幸存下來，是因為沒有超過崩潰電壓。80NIC二扱管的恢復波形異常平滑沒有振蕩，所以EMI值非常低。SONIC軟恢復二極管不僅導致開關(guān)損耗的減少，而且允許除去跨接在二極管上的并聯(lián)RC緩沖器。因此我們相信IXYS公司新的SONIC二極管系列是工業(yè)應用的最佳選擇。所有這些二極管在600V-1200V-1600V和1800V電壓范圍，額定電流從5A至250A都在市場上面世了。
 
  4. 結(jié)論
  以上介紹了已經(jīng)面市的600V-1800V電壓范圍的SONIC軟恢復二極管的，采用軸向壽命抑制劑可以得到最佳性能的二極管設(shè)計。通態(tài)特性顯示，在額定電流下它們的正向電壓降幾乎與溫度無關(guān)，從而使它更適用于并聯(lián)運行。它們在125℃時的動態(tài)損耗比標準摻鉑FRED減少50%。此外波形異常平滑沒有振蕩，所以對于工業(yè)應用來說EMI值非常低。



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