IXYS新一代高频应用SONIC快恢复二极管

  1. 引言
  为了减少高频应用中的电路损耗需要用快速软恢复二极管。硬开关过程中的主要问题是二极管反向恢复电流(Irm)增加了开关器件的开通损耗，并且在快速di/dt开关时能够产生电磁干扰(EMI)。如果反向恢复电流很快归零，就会发生尖峰过电压和电磁干扰。为了降低尖峰电压可以降低开关速度或采用缓冲电路。增加缓冲电路会增加电路成本，并且使电路设计变得复杂。在过去的10年中，快速二极管发展方面的重大进步在于优化了通态损耗和关断损耗之间的折中。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。 
  IXYS公司开发的600V，1200V及1800V的、新的快速软恢复二极管－SONIC二极管系列。其反向恢复时间比较长，约0.2～0.4μs，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。 该系列二极管克服了这些缺点，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 25℃到125℃比掺铂FRED少50%。 
 
  2. 标准二极管和器件优化
  如图1所示，用外延片制造出电压从200V到1200V的标准平面型FRED二极管。这些二极管被认为是穿通型二极管，因为在反向偏置条件下，耗尽层在雪崩击穿发生之前就展宽到N+衬底。如图2所示，这些二极管具有带平面保护环的PN-N+结构，其中p代表的主结，N-取决于外延漂移区的掺杂浓度，N+是村底。保护环被安置在承受阻断电压的最佳距离。FRED二极管采用诸如金或铂之类的的重金属作为寿命抑制剂。

  图3显示了在25℃和125℃时将铂、掺金二极管和本文提到的600V SONIC二极管的正向伏安特性曲线。图4示出用来测试二扱管开关性能的电感负载测试电路。低掺杂铂(Pt)二极管和掺金(Au)二极管的开关波形示于图5a和图5b，If=30A、25℃下，Vf=12V。   对正向圧降相同、芯片尺寸和有效面积(12.4mm²)均相同的二极管来说，要区別它们采用不同的设计技术是很困难的。从后面的图7a，图7b中可以看到，本文提及的SONIC二极管同掺铂制造的二极管进行动态性能的比较，后者的正向压降较高。
  开关波形清楚地显示，虽然掺铂FRED的反向漏电流比掺金FRED小得多，但在高温下快速di/dt开关时摻铂FRED恢复得很剧烈。此外，在高溫下摻金二极管的漏电流比掺铂二极管的漏电流大得多。因此人们需要根据各自的应用作出正确的选择。急剧恢复通常是由漂移区内的少数载流子突然消失引起的。急剧恢复会产生额外的尖峰电压，它能损害二极管或电路。然而在衬底前面采用一个N缓冲层可以减少恢复的急剧性。
  应该优化N缓冲层的浓度，以减少耗尽层向衬底的扩展，并提供软恢复所需要的额外电荷。缓冲层浓度很难优化，在极端开关条件下仍然显示出急剧恢复特性。
  为了在任何条件下都能得到具有软恢复特性的二极管，IXYS公司开发了采用深的磷扩散和轴向寿命抑制剂的600V至1800V SONIC二极管，如图6所示。在硼扩散层中受控的轴向寿命抑制剂被用来控制区域1中空穴的注入率。区域2所示的软N区为软恢复提供了额外电荷。较低的空穴注入率使得器件的正向电压降对温度不太敏感，这对二极管并联运行有利，且在高温时开关损耗最小。再利用电子辐照作为附加的均匀寿命抑制剂，二极管的
软度可以得到进一步控制。   3. 600V掺铂FRED与SONIC二极管比较
  为了验证比较SONIC二极管与掺铂FRED的性能，在不同运行条件下做了一系列感性负载电路的试验。把SONIC二极管(30A,25℃时Vf=21V)与掺铂的快速FRED(30A,25 ℃时Vf=25V)进行了比较，图7(a)至图8(b)显示出30A,600V二极管的反向恢复电流波形。这些波形清楚地显示在所有工作条件下SONIC二极管都不会给出急剧开关的结果。从25℃到125℃时SONIC二极管的峰值漏电流的增加值比标准掺铂FRED减少50%。
  1200V和1800V器件也用相同的设计原理生产出来，通过优化N区电阻率使分別达到了1240V和1880V的阻断电圧。20A，1200V二极管(有效面积12.4mm²)典型的开关结果如图9所示；20A，1800V二极管(有效面积9.06mm²)如图10所示。1200V二极管的开关条件是：20A，400A/µs，800V；而1800V二极管的开关条件是20A，400A/µs，1100V。
  600V，1200V和1800V系列的SONIC二极管在80%阻断电圧的应力条件下依然能够幸存下来，是因为没有超过崩溃电压。80NIC二扱管的恢复波形异常平滑没有振荡，所以EMI值非常低。SONIC软恢复二极管不仅导致开关损耗的减少，而且允许除去跨接在二极管上的并联RC缓冲器。因此我们相信IXYS公司新的SONIC二极管系列是工业应用的最佳选择。所有这些二极管在600V-1200V-1600V和1800V电压范围，额定电流从5A至250A都在市场上面世了。
 
  4. 结论
  以上介绍了已经面市的600V-1800V电压范围的SONIC软恢复二极管的，采用轴向寿命抑制剂可以得到最佳性能的二极管设计。通态特性显示，在额定电流下它们的正向电压降几乎与温度无关，从而使它更适用于并联运行。它们在125℃时的动态损耗比标准掺铂FRED减少50%。此外波形异常平滑没有振荡，所以对于工业应用来说EMI值非常低。



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