Новые высоковольтные сильноточные диоды с плавной коммутацией


PDF версия

В статье очень описаны последние новинки компаний StarPower Europe и Mitsubishi Electric. Приведены основные характеристики диодов и осциллограммы процессов коммутации.

Введение

Несмотря на то, что в последнее время достигнут неплохой прогресс в улучшении параметров диодов, они в некоторых силовых топологиях до сих пор остаются ахиллесовой пятой. Особенно если речь идет о высоковольтных сильноточных каскадах, где требуются диоды с быстрым восстановлением обратного сопротивления и большим максимальным обратным напряжением. Производители силовых полупроводниковых приборов продолжают работу по созданию высоковольтных диодов с быстрым восстановлением (Fast Recovery Diodes, FRD).

Мы очень кратко, не углубляясь в детали, расскажем о двух таких разработках. Одна из них принадлежит компании StarPower Europe AG [1], а другая – компании Mitsubishi Electric [2].

 

Диоды компании StarPower Europe AG

Эта компания разработала уже 4‑е поколение диодов FRD. Особенностью нового поколения является использование объемной кремниевой пластины тонким нижним слоем n+ с лазерным отжигом. Благодаря комбинации глубоко легированного фосфора и легирования примесью, уменьшающей время жизни носителей, были получены быстрые диоды с мягким восстановлением и токовым хвостом.

Характеристики новых диодов стабильны во всем диапазоне рабочей температуры, а прямое падение напряжения на них мало зависит от температуры. Эти диоды предназначены для приложений с повышенной частотой, где крайне важно уменьшить коммуникационные потери. Номинальное обратное напряжение новых диодов составляет 600, 1200 и 1700 В. Они экономичны в изготовлении, т. к. позволяют использовать глубокую диффузию фосфора и отказаться от многократной протонной имплантации.

Сечение высоковольтного диода компании StarPower Europe AG
Рис. 1. Сечение высоковольтного диода компании StarPower Europe AG

На рисунке 1 схематично показано сечение диода. Его структура совместима с производственным процессом IGBT с нормированным напряжением 1700–4500 В. Структура получена с помощью десорбции/ионизации кремния DIOS. На рисунке 2 показана структура 1700‑В диода с мягким восстановлением. В нем используется глубокая диффузия фосфора и примесь бора в P‑области, уменьшающая время жизни носителей. Область P позволяет уменьшить ток утечки, а также предотвратить эффект сжатия (шнурования) тока при жесткой коммутации. Область N обеспечивает избыточный заряд для мягкого восстановления.

Структура 1700-В диода с мягким восстановлением компании StarPower Europe AG
Рис. 2. Структура 1700-В диода с мягким восстановлением компании StarPower Europe AG

Положительный температурный коэффициент диода позволяет применять его с параллельно включаемыми IGBT даже при высокой температуре. Время восстановления обратного сопротивления Trr задается путем введения примесей, уменьшающих время жизни носителей. Производство диодов осуществляется методом вариативного распределения примеси (VLD). Применяется технология поверхностной пассивации полупроводниковых приборов с легированными кислородом пленками поликристаллического кремния (SIPOS). В результате достигается высокая надежность и стабильность коммутационных параметров.

Проведение тестов на стабильность при максимальных температурах показали, что при обратном напряжении, составляющем 80% от максимального, и температуре 150°C обратный ток не увеличивается и составляет 10 мкА. Испытания проводились в течение 1000 ч, показания регистрировались каждые 8 ч.

Статическая вольтамперная характеристика диода компании StarPower Europe AG
Рис. 3. Статическая вольтамперная характеристика диода компании StarPower Europe AG

На рисунке 3 показана статическая вольтамперная характеристика 900‑В диода. Как видно из рисунка, прямое падение напряжения на диоде возрастает с увеличением температуры, что позволяет применять параллельное соединение диодов. На рисунке 4 показан процесс коммутации 900‑В диода: верхняя кривая соответствует току диода, а нижняя представляет собой производную тока.

Процесс коммутации диода компании StarPower Europe AG
Рис. 4. Процесс коммутации диода компании StarPower Europe AG

 

Диоды компании Mitsubishi Electric

Компания выпускает новые модули RFC на базе диодов, входящих в состав IGBT-сборок. Диоды характеризуются низкими потерями мощности и высоким показателем I2t. Максимальная температура перехода достигает 150°C. Структура диода показана на рисунке 5. Области легирования P и N+ на нижней стороне диода обеспечивают плавную коммутацию, что позволяет уменьшить коммутационные электромагнитные помехи.

Структура диода RFC компании Mitsubishi Electric
Рис. 5. Структура диода RFC компании Mitsubishi Electric

На рисунке 6 приведены вольтамперные характеристики диода RFC и диода прежнего поколения. Видно, что компании удалось существенно уменьшить прямое падение напряжения на диоде и, следовательно, сократить потери на проводимость. Кроме того, у диодов нового поколения увеличена способность выдерживать импульсные токи. Если у 4500‑В/900‑А диода предыдущего поколения величина I2t составляла 170 кА2 с при максимальном всплеске тока до 6400 А, то у диода нового поколения этот показатель возрос до 390 кА2 с при максимальном пиковом значении 8800 А.

Статическая вольтамперная характеристика диодов компании Mitsubishi Electric
Рис. 6. Статическая вольтамперная характеристика диодов компании Mitsubishi Electric

На рисунке 7 показана осциллограмма восстановления обратных характеристик диода при напряжении шины постоянного тока 3500 В и паразитной индуктивности 150 нГн.

Осциллограмма восстановления обратных характеристик диода компании Mitsubishi Electric
Рис. 7. Осциллограмма восстановления обратных характеристик диода компании Mitsubishi Electric

Литература

  1. A Low loss and Low Forward Voltage Drop SIPOS Passivated Fast Recovery Diode//www.bodospower.com.
  2. X-Series RFC Diodes for Robust and Reliable Medium-Voltage Drives//www.bodospower.com.
Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *