高頻電鍍用快恢復二極管應(yīng)用技術(shù)

摘要
  由高頻直流電鍍電源對快恢復整流二極管特性參數(shù)的要求，結(jié)合肖特基二極管的優(yōu)缺點，從縮短正、反向恢復時間和改進開通、關(guān)斷特性入手，在電阻焊機用超大電流整流二極管成果的基礎(chǔ)上，采用正確控制基區(qū)少子壽命、低陽極濃度、陰極區(qū)深擴散等方法，成功研制了3000A/200V/20KHz（PIN結(jié)構(gòu)）高頻直流電鍍電源用快恢復二極管。高頻直流電鍍電源由于其輸出波形的可控性，不僅使電鍍速度大大加快，而且使電鍍層的質(zhì)量大大提高，同時又使電源設(shè)備的體積大大減少，節(jié)電效果顯著。
 
  1.課題的提出
  以前高頻電鍍電源所用的快恢復整流二極管都是肖特基二極管結(jié)構(gòu)。這種快恢復整流二極管充分利用肖特基二極管多數(shù)載流子導電，因而正、反向恢復時間都短的優(yōu)勢，實現(xiàn)高頻高效整流。 功率二極管的正向恢復時間理解為：一個尚未導通的功率二極管在正向電流突然強行經(jīng)過它時(叫做強制開通)，改變到完全開通狀態(tài)時所需的時間。在功率二極管完全恢復到開通狀態(tài)前，正向恢復期間的正向壓降要比完全開通狀態(tài)時的壓降高得多，這可能會產(chǎn)生電路電壓尖峰。功率二極管的反向恢復時間理解為：一個正向?qū)ǖ墓β识O管在通過它的電壓突然反向時(叫做強迫關(guān)斷)，恢復到阻斷狀態(tài)時所需的時間。功率二極管在反向恢復期間將產(chǎn)生大的反向電流和大的功率損耗，這是研制與應(yīng)用功率二極管所不希望有的。具有長反向恢復時間的功率二極管類似于具有大寄生電容的功率二極管，具有長正向恢復時間的功率二極管類似于具有大寄生電感的功率二極管。本課題采用通常的PiN 結(jié)構(gòu)制成的快恢復整流二極管實現(xiàn)高頻整流及電鍍應(yīng)用。在保證正向、反向恢復時間都達到基本要求的前提下，使快恢復整流二極管既在反向恢復時間內(nèi)不產(chǎn)生大的反向電流和大的功率損耗，又在正向恢復時間內(nèi)不產(chǎn)生過大的電路電壓尖峰(換言之，就是將寄生電容、電感做到最小)。進而發(fā)揮大電流特性，特別是浪涌電流高的優(yōu)勢，實現(xiàn)強電流高頻整流及應(yīng)用。
 
  2.肖特基二極管結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點
  金屬和輕摻雜半導體之間的接觸是整流接觸，又稱為肖特基(Schottky)勢壘接觸。利用這樣的整流接觸做成的器件，稱之為肖特基二極管。肖特基二極管中電荷的運輸是靠多數(shù)載流子來完成的。因此，與少子注入、過剩載流子的抽取與復合等相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，并不出現(xiàn)在開通和關(guān)斷過程中。所以在高頻狀態(tài)下使用肖特基二極管具有優(yōu)勢。
 
  2.1 肖特基二極管的優(yōu)點
  1)反向恢復時間和正向恢復時間都短;
  2)在低電流密度(JF<10 A/cm2)下，有比P⁺-n-N⁺結(jié)構(gòu)的整流二極管更低的通態(tài)電壓。
 
　2.2 肖特基二極管的缺點
  1)在有限面積的接觸處，擊穿電壓通常會小于100 V;
  2)只限于低電流密度（JF<10A/cm²）下應(yīng)用，如圖1所示，當電流密度JF>10A/cm²時，通態(tài)電壓降急劇增加，直至擊穿。

 
  3.基本技術(shù)方案
  本課題采用的技術(shù)方案是在電焊機專用大電流密度整流二極管的科研成果[4]的基礎(chǔ)上，如單晶的選取、擴散方法和技術(shù)要求、多層金屬化的歐姆接觸、臺面噴砂造型和聚酰亞胺鈍化保護、管殼設(shè)計等大都是直接借用過來的，并且是經(jīng)過改進的方案研制的，所以使整個研制工作走了捷徑。
  本課題采用的技術(shù)方案是：
  （1）、采用N型（100）和（111）徑向，電阻率為pn=（7±5）Ω-cm、厚度H=（180±5）µm、直徑Φ=48mm的單晶硅片。
  （2）、硅片擴散：P+區(qū)表面濃度；磷擴N+區(qū)表面濃度；基區(qū)寬度W約為40µm；控制基區(qū)殘余少子壽命，此時τn≥1µs。經(jīng)低溫擴鉑使少子壽命控制在τp=3µs上下，在磷硅玻璃吸收下，使鉑濃度，進而少子壽命τp有一個近似理想的分布；再用12Mev電子輻照，降低基區(qū)少子壽命到τp=（0.8±0.1）µs。
  （3）、在硅片的兩面燕鍍鈦-鎳-金、經(jīng)臺面噴砂造型，去砂清洗腐蝕聚酰亞胺鈍化保護、中間測試、裝入陶瓷環(huán)充氮氣冷壓焊封裝成型、再經(jīng)全面電參數(shù)、動態(tài)參數(shù)測試合格，最后制成高頻電鍍直流電源專用功率整流快恢復二極管。
 
  4. P+-i-N+功率二極管頻率特性的改進
  大電流密度下的P+-i-N+功率二極管的通態(tài)特性大大優(yōu)于肖特基二極管是不言而喻的。問題是如何提高其頻率特性，使其接近肖特基二極管的水平。提高開通和關(guān)斷過程的速度，也就是千方百計縮短由斷到開，特別是由開到關(guān)的時間，即縮短正向恢復時間tfr和反向恢復時間trr。
 
  4.1 縮短正向恢復時間tfr，改進開通特性
  由整流二極管的國際標準可知，正向恢復時間tfr 規(guī)定為：在緊接零電壓或其他規(guī)定的反向電壓條件施加規(guī)定的階躍正向電流時，正向電壓上升到第一個規(guī)定值瞬間和從其峰值VFRM 下降到接近正向電壓最終穩(wěn)定值的第二個規(guī)定值瞬間的時間間隔。如圖2 所示。   圖2中：VF：通態(tài)峰值電壓；
  VF*：最終穩(wěn)定的通態(tài)電壓，一般取VF*≈VF；
  0.1VF*：第一個規(guī)定值；
  1.1VF*：第二個規(guī)定值；
  VFRM：開通時的最高峰值電壓。
  正向恢復特性好的標志是：第一tfr短；第二VFRM不高。
  1)、正向恢復時間tfr短，這可以通過縮短基區(qū)寬度，減少基區(qū)渡越時間來達到。
  當確保τn≥1µs時，金考慮電子渡越基區(qū)的時間<0.22µs，而真實情況是電子、空穴共同渡越基區(qū)，那么渡越時間就更短了(<0.1µs)。因此這即保證了雪崩特性和通態(tài)壓降較小，又可使正向恢復時間tfr短。這里所以要保證足夠大的τn值，是因為τn過小，將導致渡越時間大增。
  2)、開通時的最高峰值電壓主要由器件雜散(也稱寄生)電感在電流上升率發(fā)生時的附加電壓L·di/dt以及結(jié)電壓(包括高低結(jié)的電壓)構(gòu)成。顯然控制過大的雜散電感的產(chǎn)生是關(guān)鍵。這里采用有考究的平板式結(jié)構(gòu)，管殼設(shè)計為無傘(傘也叫裙邊)薄殼，這都是降低裝配雜散電感，確保VFRM 值不高的必要措施。一般來講，開通對高頻應(yīng)用的影響遠不如關(guān)斷時反向恢復時間以及反向恢復電荷的影響大。為此，提高整流二極管的高頻應(yīng)用能力，要將重點放在對關(guān)斷特性的改進中。
 
　4.2 降低反向恢復時間trr，改進關(guān)斷特性
  由整流二極管的國際標準知，反向恢復時間trr規(guī)定為：當從正向到反向轉(zhuǎn)換時，從電流過零瞬間起，至反向電流由峰值IFM減少到規(guī)定低值瞬間(如圖3 所示)的時間間隔。   圖3中：
  IFM:通態(tài)峰值電流；
  trr:反向恢復時間；
  Qr：恢復電荷（視為圖中大三角形面積）；
  Trrr：反向恢復電流上升時間；
  Trrf：反向恢復電流下降時間；
  一般簡寫為：trrr=ta， trrf=tb， 即trr=trrr+trrf=ta+tb
  又定義：（反向恢復）軟因子為FRRS=tb/ta，也有定義為：   而IRM：最大反向恢復電流；   反向恢復特性好的標志是：第一trr短，第二Qr小，第三FRRS大。
    在研制過程中采取的措施是：
    1)通過采取磷硅玻璃、硼硅玻璃吸收和慢降溫，先把少子壽命提高到τp=（14±2）µs，目的是提高電子的少子壽命到τn>1µs，確保高頻應(yīng)用時壓降不會過大，且正向開通時間tfr短。
　2)先低溫擴鉑再利用陰極面高濃度磷硅玻璃吸收，使少子壽命控制在τp=（3±1）µs，并在基區(qū)有一個理想的分布，后采用電子輻照達到最終的關(guān)斷要求的降低少子壽命的控制技術(shù)，既保證了器件長期應(yīng)用的可靠性，又保證了反向恢復時間的要求，且又可以使器件軟關(guān)斷，即軟因子FRRS 增大，反向恢復電荷Qr減小。當反向恢復時間不變的前提下，軟因子FRRS增大，即反向恢復電流下降時間trrf增長，實質(zhì)就是反向恢復電荷Qr 減小了(也就是最大反向恢復電流減小)，這樣就實現(xiàn)了關(guān)斷時不產(chǎn)生過大的反向電流和過大的能量損耗的目的。
    3)采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區(qū)寬度均勻，結(jié)電容小也是關(guān)斷時不產(chǎn)生過大的反向電流和過大的能量損耗的措施之一。
    4)有意將陽極區(qū)的表面濃度做得比陰極區(qū)的還要低；且陰極區(qū)結(jié)深增加，變相實現(xiàn)雙基區(qū)結(jié)構(gòu)。這都是提高軟度因子，降低反向恢復電荷、反向恢復時間的重要措施之一。
 
  5. 器件參數(shù)的測試
  測試研制生產(chǎn)的器件，以規(guī)格是直徑48mm/3000A/200V的器件為例，記錄實測結(jié)果如下所列。 測試結(jié)果和客戶現(xiàn)場應(yīng)用表明，所研制生產(chǎn)的產(chǎn)品符合高頻電鍍直流電源用快恢復功率二極管的要求。
 
  6. 結(jié)語
  快恢復二極管和普通整流二極管內(nèi)等離子分布幾乎是相反的，為此產(chǎn)生了許許多多方案和各種新結(jié)構(gòu)，如MPS肖特基混合整流二極管等等。但是，所有改進都要受條件、成本以及應(yīng)用的約束，而最后確定取舍。在當前條件下，我們的研制方案是比較簡單又切實可行的一種方案。P⁺IN⁺結(jié)構(gòu)高電流密度高頻整流二極管的成功開發(fā)，對于輸出直流電壓≥12V范圍的大電流高頻整流應(yīng)用，在提高高頻整流性能、減小電源裝置體積和大幅度提高輸出電流容量方面了，是一個貢獻。無疑為電源裝置的設(shè)計制造提供了良好的選擇途徑。隨著國家對電力器件的日益重視，大力開展高性能二極管的研究開發(fā)將是我國功率半導體工作者的重要任務(wù)。



上一篇：快恢復二極管軟度參數(shù)的調(diào)整原理與相關(guān)計算
下一篇：快恢復二極管在直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 選型