高頻電鍍用快恢復整流二極管的開(kāi)發(fā)研制

0 引言

　　“對于直流電源，為了提高其工作性能，或是為了使直流電源達到小型輕量化的目的，常會(huì )遇到大電流高頻整流問(wèn)題。特別是對于低電壓（臆24 V）的直流電源，這個(gè)問(wèn)題就顯得更加突出。”“其典型例子有：高頻直流電鍍電源等。”

　　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(shí)又使電源設備的體積大大減少，節電效果顯著(zhù)。

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構。這種快恢復整流二極管充分利用肖特基二極管多數載流子導電，因而正、反向恢復時(shí)間都短的優(yōu)勢，實(shí)現高頻高效整流。

　　功率二極管的正向恢復時(shí)間理解為：一個(gè)尚未導通的功率二極管在正向電流突然強行經(jīng)過(guò)它時(shí)（叫做強制開(kāi)通），改變到完全開(kāi)通狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)間。在功率二極管完全恢復到開(kāi)通狀態(tài)前，正向恢復期間的正向壓降要比完全開(kāi)通狀態(tài)時(shí)的壓降高得多，這可能會(huì )產(chǎn)生電路電壓尖峰。

　　功率二極管的反向恢復時(shí)間理解為：一個(gè)正向導通的功率二極管在通過(guò)它的電壓突然反向時(shí)（叫做強迫關(guān)斷），恢復到阻斷狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)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，這是研制與應用功率二極管所不希望有的。

　　具有長(cháng)反向恢復時(shí)間的功率二極管類(lèi)似于具有大寄生電容的功率二極管，具有長(cháng)正向恢復時(shí)間的功率二極管類(lèi)似于具有大寄生電感的功率二極管。

　　本課題采用通常的PiN 結構制成的快恢復整流二極管實(shí)現高頻整流及電鍍應用。在保證正向、反向恢復時(shí)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(shí)間內不產(chǎn)生大的反向電流和大的功率損耗，又在正向恢復時(shí)間內不產(chǎn)生過(guò)大的電路電壓尖峰（換言之，就是將寄生電容、電感做到最?。?。進(jìn)而發(fā)揮大電流特性，特別是浪涌電流高的優(yōu)勢，實(shí)現強電流高頻整流及應用。

2 肖特基二極管結構的優(yōu)缺點(diǎn)

　　金屬和輕摻雜半導體之間的接觸是整流接觸，又稱(chēng)為肖特基（Schottky）勢壘接觸。利用這樣的整流接觸做成的器件，稱(chēng)之為肖特基二極管。

　　肖特基二極管中電荷的運輸是靠多數載流子來(lái)完成的。因此，與少子注入、過(guò)剩載流子的抽取與復合等相關(guān)聯(lián)的現象，并不出現在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)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(diǎn)

　　1）反向恢復時(shí)間和正向恢復時(shí)間都短；

　　2）在低電流密度（JF10 A/cm2）下，有比P+ -n-N+結構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(diǎn)

　　1）在有限面積的接觸處，擊穿電壓通常會(huì )小于100 V；

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(zhuān)用大電流密度整流二極管的科研成果[4]的基礎上，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、管殼設計等大都是直接借用過(guò)來(lái)的，并且是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的方案研制的，所以使整個(gè)研制工作走了捷徑。

　　命子p 有一個(gè)近似理想的分布；再用12 Mev 電子輻照，降低基區少子壽命到在硅片的兩面蒸鍍鈦-鎳-金、經(jīng)臺面噴砂造型，之后經(jīng)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)全面測試電熱參數、動(dòng)態(tài)參數合格，最后制成高頻電鍍直流電源專(zhuān)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(jìn)

　　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(wèn)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(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程的速度，也就是千方百計縮短由斷到開(kāi)，特別是由開(kāi)到關(guān)的時(shí)間，即縮短正向恢復時(shí)間tfr和反向恢復時(shí)間trr。

　　4.1 縮短正向恢復時(shí)間t（fr 改進(jìn)開(kāi)通特性）

　　由整流二極管的國際標準知，正向恢復時(shí)間tfr 規定為：在緊接零電壓或其他規定的反向電壓條件施加規定的階躍正向電流時(shí)，正向電壓上升到第一個(gè)規定值瞬間和從其峰值VFRM 下降到接近正向電壓最終穩定值的第二個(gè)規定值瞬間的時(shí)間間隔。如圖2 所示。

　　2）開(kāi)通時(shí)的最高峰值電壓主要由器件雜散（也稱(chēng)寄生）電感在電流上升率發(fā)生時(shí)的附加電壓L·di/dt以及結電壓（包括高低結的電壓）構成。顯然控制過(guò)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構，管殼設計為無(wú)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(lái)講，開(kāi)通對高頻應用的影響遠不如關(guān)斷時(shí)反向恢復時(shí)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用能力，要將重點(diǎn)放在對關(guān)斷特性的改進(jìn)中。

　　4.2 降低反向恢復時(shí)間t（rr 改進(jìn)關(guān)斷特性）

　　由整流二極管的國際標準知，反向恢復時(shí)間trr規定為：當從正向到反向轉換時(shí)，從電流過(guò)零瞬間起，至反向電流由峰值IFM減少到規定低值瞬間（如圖3 所示）的時(shí)間間隔。

　　在研制過(guò)程中采取的措施是：
　
　　1）通過(guò)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目的是提高電子的少子壽命到，確保高頻應用時(shí)壓降不會(huì )過(guò)大，且正向開(kāi)通時(shí)間tfr短。

　　2）先低溫擴鉑再利用陰極面高濃度磷硅玻璃吸收，使少子壽命控制在并在基區有一個(gè)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(cháng)期應用的可靠性，又保證了反向恢復時(shí)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。

　　軟恢復的實(shí)質(zhì)：在反向恢復時(shí)間不變的前提下，軟因子FRRS增大，即反向恢復電流下降時(shí)間trrf增長(cháng)，實(shí)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?。?，這樣就實(shí)現了關(guān)斷時(shí)不產(chǎn)生過(guò)大的反向電流和過(guò)大的能量損耗的目的。

　　3）采用截面電阻率均勻的硅單晶，使空間電荷區寬度均勻，結電容小也是關(guān)斷時(shí)不產(chǎn)生過(guò)大的反向電流和過(guò)大的能量損耗的措施之一。

　　4）有意將陽(yáng)極區的表面濃度做得比陰極區的還要低，也是提高軟因子，降低反向恢復電荷的措施之一。

5 器件參數的測試

　　測試研制生產(chǎn)的器件，以規格是直徑48 mm/3 000 A/200 V的器件為例，記錄實(shí)測結果如表1所列。

　　測試結果和客戶(hù)現場(chǎng)應用表明，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 結語(yǔ)

　　該P+-i-N+結構高電流密度高頻整流二極管的成功開(kāi)發(fā)，無(wú)疑為電源裝置的設計制造提供了良好的選擇途徑，可應用在輸出直流電壓逸12 V的大電流高頻整流裝置中，其特點(diǎn)是提高高頻整流性能、減小電源裝置體積和大幅度提高輸出電流。

　　若采用外延片及陽(yáng)極超薄發(fā)射區結構，將使應用頻率更高，更有利于提高電鍍電源性能，并進(jìn)一步減小裝置體積和降低能耗。

　　隨著(zhù)國家對電力器件的日益重視，大力開(kāi)展高性能二極管的研究開(kāi)發(fā)將是我國功率半導體工作者的重要任務(wù)。