igbt是現代逆變器的主功率器件，續流二極管是其不可缺少的搭檔。
在當代的能量轉換和能量傳輸技術中，高功率密度成為人們追求不懈的目標。帶溝道門極器件的igbt和場致截止技術的igbt就是這種趨勢的典型代表。和以前的非穿通性(npt)功率器件相比，上述兩種igbt的通態損耗都減小了。然而，為了達到上述目標，igbt模塊必須使用優化的續流二極管來完善igbt的性能以確保器件整體良好的性能。
對續流二極管的總體要求就是在較大的溫度和電流范圍內具備較低的正向導通壓降，較小的恢復電荷和軟開關特性。其他一些重要的性能還包括二極管能夠并聯使用以保證器件能夠覆蓋很廣的功率范圍，很好的動態抗沖擊性以確保發生短路時能夠使器件免于損壞。
我們的方法中使用了軸向載流子壽命控制(cal)新技術來減小導通壓降。軸向載流子壽命控制高密度續流二極管(cal hd fwd)的設計有兩個基本的目標:提高芯片單位面積的有效電流，提高器件的動態性能。
軸向載流子壽命控制高密度二極管(cal hd)是由n+深度攙雜的陰極區和p+攙雜的作為結端子的保護環構成的平板型器件。結端子經過優化設計以適應1700v的阻斷電壓。載流子壽命受電子擴散和植入的he2+-離子控制，從而造成雜質陷阱的不均一分布，如圖1所示。結合陽極和陰極的擴散剖面圖，我們認為cal hd二極管可以獲得較低的恢復峰值電流和較好的軟開關特性。
圖1 cal hd 二極管中由電子擴散和he2+-離子植入形成的
雜質陷阱的垂直分布截面圖
我們用芯片截面積為61mm2的75a cal hd作為1700v高密度二極管系列產品的代表來驗證我們提出的方法。圖2顯示了室溫下和125℃時的導通特性。可以看出，第一個杰出的特性就是在額定電流下表現出的du/dt的正溫度系數，這使得二極管并聯使用時具備自動均流的能力，從而在大功率器件中cal hd二極管可以采用這種先進的并聯方式;第二個特征就是功率密度顯著提高。和標準的截面積為61mm2，額定電流為50a的1700v軸向載流子壽命控制(cal)二極管相比，軸向載流子壽命控制高密度二極管(cal hd)額定電流提高50%。由于電流密度的增加，和標準的cal二極管相比，cal-hd二極管的正向沖擊電流也提高了14%。
圖2 室溫和125℃時截面積為61mm2的75a cal hd的通態特性
在相同的情況下，通過比較cal hd搭配溝道型igbt(3a)和非穿通性igbt(3b)開關器件時的二極管的軟恢復特性，證明了cal hd二極管和溝道型igbt有良好的匹配性。用溝道型igbt作為開關器件，初始導通電流下降到和反向恢復電流峰值irrm=55a一樣。而軟開關特性表現在恢復電流逐漸降低形成小的拖尾電流。與此相反, 由cal hd二極管和傳統的非穿通性igbt構成的開關組合動態損耗大:在相同的di/dt情況下, 非穿通性igbt電壓上升的速度(du/dt=2450v/μs)是溝道型igbt速度(du/dt=800v/μs)的三倍。反過來溝道型igbt又能改善cal hd二極管的軟特性:使用溝道型igbt進行功率變化的搭配組合可以觀察到平穩的尾電流，其軟特性因子s=(t2-t1)/(t1-t0)要比非穿通性igbt配對高出60%。
圖4展示了在很寬的di/dt變換范圍內cal hd二極管展現出了較低的動態損耗的優異性能。圖4展示的參數有反向恢復電荷qrr，反向峰值電流irrm以及能量損耗erec。實線反映的是溝道型igbt的性能，短畫線是非穿通性igbt的性能。在溝道型igbt典型的運行條件約1000a/μs情況下，溝道型igbt/cal hd組合要比非穿通性igbt/cal hd組合的損耗減少27%。隨著頻率升高，溝道型igbt/cal配對的動態損耗迅速增加，在di/dt>3000 a/μs時，溝道型igbt/cal hd和非穿通性igbt/cal hd的損耗幾乎相等。同時由于受限于集成門極的阻抗，溝道型igbt的開關速度限制在3200a/μs內。
圖3 使用溝道igbt(a)和非穿通性igbt(b)作為開關器件的二極管電流和電壓波形
圖4 和溝道型igbt配對(實線)以及和非穿通性igbt配對(虛線)時作為換向速度函數的cal hd二極管的動態數據
對短路時器件穩定性極為重要的因素就是在極度快速的變換情況下器件內部也不會發生動態的載流子雪崩。即使在這些極端的條件下，cal hd二極管都表現出較好的軟恢復特性，從而證明了和傳統的cal二極管一樣具備良好的動態可靠性。如圖5示。
圖5 在極高的di/dt=6000 a/μs情況下cal hd二極管的動態可靠性
為了驗證因采用cal hd二極管而使得功率模塊性能改善的效果，設計了一個dc/dc變換電路(e.g. skm400 gb 176 d)。該電路中，四個二極管并聯，結溫是動態損耗和穩態損耗的函數。最大的負載電流定義為二極管或igbt的結溫為125℃時的電流。為了便于計算，使用了表1的電氣和熱學數據，其中器件封裝溫度tc=90℃，輸入電壓vin=1200v，輸出電壓vout=600v。
當開關頻率在6khz以下時，cal hd二極管的電流輸出能力極為優秀。在2~3khz時，該二極管能夠為1700v溝道型igbt模塊的典型工作情況提供最優的性能。如圖6所示。
圖6 溝道型igbt/cal二極管(虛線)組合和溝道型igbt/cal hd二極管(實線)的最大輸出電流
溝道型igbt/cal hd二極管組合的額定輸出電流能力得到改善是因為在6khz以下時cal hd二極管的損耗較小。當開關頻率超過6khz時，動態損耗增加，超過穩態損耗的減少，從而和標準的cal二極管相比，整體損耗更大。如圖7所示。
圖7 dc/dc cal(虛線)和dc/dc cal hd(實線)電路中續流二極管的能量損耗
總而言之，為現代溝道型igbt設計的新型1700v軸向載流子壽命控制高密度二極管(cal hd)使得續流二極管和igbt組合表現出優異的性能。特別值得指出的是，該二極管最大電流密度和igbt相匹配，而通態的溫度系數也是一個正的溫度系數。這些都使得cal hd可以并聯使用而不用擔心過熱。此外，cal hd二極管的軟開關特性以及很高的動態抗沖擊性都使得這種二極管是現代igbt功率模塊的理想選擇:該二極管已經用于semikron的semitranstm新的176系列模塊，第二代skiip 3以及semixtm模塊。
參考文獻
(略)
作者簡介
volker demuth 博士 賽米控國際公司產品經理。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
