Рубрики
Источники питания

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR Статью подготовил Андрей Копылов Создатели: Й. Бирманн, К._Х. Хоппе, О. Шиллинг, Й. Г. Бауэр, А. Маудер,

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR Статью подготовил Андрей Копылов
Создатели: Й. Бирманн, К._Х. Хоппе, О. Шиллинг, Й. Г. Бауэр, А. Маудер, Е. Фальк, Х._Й. Шульце, Х. Рютинг, Г. Ашатц

Компании eupec GmbH и Infineon Technologies AG разработали новейшую улучшенную технологию производства силовых диодов, которая улучшает их свойства при переключении снутри всей области неопасной работы, с заглавием EmCon-HDR (Emitter Controlled — управляемый по эмиттеру; High Dynamic Robustness — высочайшая динамическая устойчивость). Новый силовой диодик может в 100% случаев поменять диодик стандартного типа. Благодаря более широкой области неопасной работы управление переключением диодика может осуществляться при очень больших значениях di/dt и dv/dt, что, в свою очередь, может существенно уменьшить утраты при включении IGBT силового транзистора.

Введение

Быстрая эволюция IGBT технологий в переходе от планарной структуры к технологиям «утопленного» канала (trench gate technology) и «Field Stop», просит обязательного улучшения рабочих черт антипараллельного силового диодика FWD (Free-Wheeling Diode — безынерционный диодик). Включение IGBT силового транзистора, а как следует, и энергия утрат при его включении зависят от процесса оборотного восстановления антипараллельного диодика. Предшествующий вариант оборотного диодика — EmCon-диод был получен методом оптимизации внутренних вертикальных структур полупроводникового прибора, предложенной компаниями Infineon и eupec. В данной статье рассказывается о следующих шагах усовершенствования антипараллельных силовых диодов за счет оптимизации их латеральных структур.

Структура силового диодика

В базе структуры диодика лежит EmCon-концепция [1], оптимизирующая рассредотачивание носителей заряда и форму электронного поля во внутренней структуре. В то время как другие технологии требуют огромных усилий на создание однородности эпитаксиального кремниевого слоя и еще больше значимых издержек на понижение времени жизни носителей, такие, как имплантация протонов либо гелия, испускание электронов либо диффузия томных металлов, EmCon-концепция употребляет в качестве начального материала кремний, выкормленный способом плавающей зоны (float-zone), имплантацию ионов и просит только малозначительных действий по сокращению времени жизни главных носителей зарядов.

А именно,силовой диодик состоит из низколегированного основного материала, выращенного способом плавающей зоны, с неглубокими р-эмиттерами на фронтальной стороне. Оборотная сторона — n+-эмиттер — делает две функции. Она употребляется для определения нарушения электронного поля на оборотной стороне и фиксации эффективности n-эмиттера на хотимом уровне. Так, рассредотачивание носителей зарядов находится приемущественно под воздействием имплантированных p- и n-эмиттеров, и нет необходимости сокращать время жизни дополнительных местных носителей; это время от времени употребляется, чтоб понизить эффективность p-эмиттера для получения низкого пика оборотного тока.

Симуляция восстановления диодика и улучшение контакта кристалла

Силовые диоды высочайшего напряжения требуют отлично сконструированных краевых контактов. Это может быть достигнуто разными методами, к примеру, при помощи технологии JTE (Junction Termination Extension — продление границ кристалла) [2-4], технологии VLD (Variation of Lateral Doping — вариация легирования в латеральном направлении) [5], технологии пространственного сверхперехода RESURF [6] либо технологии плавающих предохранительных колец [7], соединенных с полевыми пластинами [8], — последняя и употребляется в EmCon-диодах. Данная система выводов должна быть сконструирована для достаточного блокирующего напряжения. Числовая симуляция восстановления диодика достигнута при использовании двухмерного устройства симуляции MEDICI [9]. В отличие от одномерных симуляций, где рассматривается только активная часть диодика, мы рассчитываем полную вертикальную структуру 3,3 кВ Emcon-диода, включая систему выводов. Рис. 1 указывает ток IR и напряжение VR во время включения IGBT силового транзистора для EmCon-диода с новой системой выводов (сплошная линия) как антипараллельного диодика с номинальным током в 100 А. Температура — 125 °C, а напряжение неизменного тока VCC — 1800 В. Начиная при пря мом токе IF 100 A, ток диодика миниатюризируется со скоростью коммутации di/dt = 460 A/мкс и dv/dt = 6 кВ/мкс, и наибольший оборотный ток IRM равен 130 A. Данный диодик характеризуется «мягким» восстановлением, последующим за «хвостовым» временем около 3 мкс. Пунктирные полосы демонстрир
уют кривые оборотного восстановления диодика для нового EmCon-HDR с оптимизированной краевой структурой. Значение IRM практически идентично.

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 1. Симулированные кривые восстановления нового EmCon-диода 3,3 кВ (сплошная линия) и EmCon-HDR-диода 3,3 кВ (пунктирная линия)

Рис. 2 изображает плотности тока под поверхностью приблизительно через 0,1 мкс после заслуги наибольшего IRM, которые появляются на краю во время оборотного восстановления. Данная плотность тока может быть редуцированна средством новейшей системы выводов. Рис. 2 указывает симулированную плотность дырочного тока для нового современного диодика (сплошная линия) и для нового EmCon-HDR диодика (пунктирная линия). Дырочный ток, протекающий к аноду при выключении диодика, приводит к значительному повышению наибольшего электронного поля, и, как следует, к динамической лавине.

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 2. Симулированные плотности дырочного тока на поверхности полупроводника (сплошная линия: новый EmCon силовой диодик; пунктирная линия: Emcon-HDR силовой диодик с оптимизацией контактов)

В нашем EmCon-HDR силовом диодике результатом сниженной плотности дырочного тока является, в то же самое время, существенное уменьшение величины электронного поля на поверхности полупроводника. На рис. 3 сплошная линия — рассредотачивание электронного поля на поверхности для нового EmConдиода в границах краевой системы. Пунктирная линия указывает величину электронного поля, вызванного оптимизацией места кольца поля, пластинки поля и профилями легирования EmCon-HDR диодика. Наибольшая величина электронного поля снижена на 35%. Как понижение плотности тока, так и понижение электронного поля ведут к значительному улучшению стойкости силового диодика.

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 3. Симулированная величина электронного поля на поверхности полупроводника (сплошная пиния: новый EmCon-диод; пунктирная пиния: с оптимизацией контактов)
Устойчивость Emcon-HDR силового диодика

Тесты двойным импульсом проводились для того, чтоб изучить предел стойкости нового EmCon-HDR-устройства. Нагрузка на диодик, лежащая далековато за пределами установленной области неопасной работы, вызывалась конфигурацией 1-го из характеристик, обозначенных стрелкой в таблице.

Кривые, выведенные при критичных критериях, показаны на рис. 4 и 5. Коммутационный диодик нагрет до 125 °C, а коммутацией управляет IGBT 1200 A/3,3 кВ. Тут нет ни наружного сопротивления затвора RGon, ни емкости CGE на выводах IGBT затвор — эмиттер; время коммутации процесса восстановления ограниченно только средством VCC, IF, Lsetup и коммутационными чертами IGBT. На рис. 4 показано восстановление диодика 1200 A при VCC = 2500 В в схеме включения с L = 65 нГ. Прямой ток избран достаточно маленьким, чтоб достигнуть высочайшего значения dv/dt — 20 кВ/мкс. Даже в этом режиме dv/dt может быть восстановление без разрушения.

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 4. Восстановление диодика при критичной dv/dt и TVj = 125 °C Чтоб достигнуть 20 кВ/мкс, коммутируется маленький ток, а наружное RGon О Ом. Inom = 1200 A
Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 5. Восстановление диодика при критичной di/dt Антипараллельный диодик с расчетным током 200 А выключен при использовании тумблера, имеющего расчетный ток 1200 А. Достигнуто значение 5.5 кД/мкс (=27 x Inom/мкс)
Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Таблица

Антипараллельные диоды с маленьким номинальным токомInom = 200 A подчиняются коммутации, управляемой этим же самым IGBT силовым транзистором на 1200 A. При использовании силового ключа, имеющего более высочайший расчетный ток, чем антипараллельный диодик, можно выявить режим критичных di/dt (по отношению к проверяемому диодику). В данной конфигурации антипараллельный диодик подвергается нагрузке при критериях, дальних от тех, которые ожидаются при обычном режиме работы, когда расчетный ток IGBT ключа и антипараллельного диодика обычно схожи. Итог тесты di/dt показан на рис. 5 для неизменного напряжения 2300 В. Оборотное восстановление di/dt добивается 5,5 кА/мкс (другими словами 27·Inom/мкс по отношению к диодику) и диодик все еще выдерживает процесс восстановления. В критериях обычного режима работы di/dt обычно добивается только значений до 10 раз огромных, чем Inom/мкс. Введение EmCon-HDR-технологии гарантирует высочайший предел безопасности.

Обзор нескольких тестов, осуществленных при разных критериях для исследования предела коммутационной стойкости, представлен на рис. 6 графиком корреляции меж dv/dt и di/dt. di/dt упорядочивается относительно номинального тока силового диодика, для того чтоб представить на одном графике данные из разных тестов.

В высшей части рис. 6 расчетный ток IGBT и антипараллельного диодика схожи (Inom = 1200 A). Эффект роста прямого тока IF рассматривается для 2-ух температур (25 °C; 125 °C). С повышением IF наблюдается сильное возрастание di/dt, в то время как dv/dt миниатюризируется. Уменьшение dv/dt происходит поэтому, что переключающий IGBT коммутирует напряжение медлительнее, когда он должен передавать высочайший ток после включения. Самые высочайшие значения dv/dt (40 кВ/мкс) наблюдаются для низкого тока IF и низкой температуры Tvj. Это особая черта нового EmCon-HDR силового диодика: накрепко восстанавливаться в критериях единичного пульса даже в таком томном режиме. Устойчивость инверторной системы по параметру dv/dt не будет ограничена диодиком, если применяется разработка EmCon-HDR. Имеются и другие элементы, подобные обмотке мотора, которые вызывают повышение значения dv/dt до максимума.

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 6. Корреляция меж dv/dt и di/dt, происходящая при восстановлении EmCon-HDR-диода. Прямой ток lF (вверху) либо неизменное напряжение Vcc (понизу) меняются для того чтоб изучить предел устройства. Найден предел для экстремальных di/dt (красноватый знак). 1200-амперный IGBT употребляется в качестве тумблера

В нижней части рис. 6 та же самая оценка изготовлена для конфигурации, в какой расчетный ток антипараллельного диодика намного меньше по сопоставлению с IGBT ключом (200 A по сопоставлению с 1200 A). Данная испытательная конфигурация подходит для заслуги критичных значений di/dt, доходящих до 30·Inom/мкс. При увеличении неизменного напряжения VCC скорость переключения безпрерывно возрастает до того времени, пока не произойдет разрушения при di/dt = 27·Inom/мкс (5,4 кA/мкс для антипараллельного диодика на 200 A). Для исследования механизма разрушения представляется анализ разрушенного диодика. В диодике была найдена расплавленная зона в центре анодного контакта кристалла диодика. Тот факт, что не наблюдается повреждений контактов кристалла либо пассивации на чипе, вновь обосновывает, что измерения, проведенные для снятия динамической нагрузки с контактных слоев кристалла, были верными.

ОБР для силового диодика Emcon-HDR

Более высочайшая динамическая устойчивость EmCon-HDR диодика позволяет вдвое расширить область неопасной работы (ОБР; SOA — Safe Operating Area) для непрерывного режима по сопоставлению с имеющимся стандартным диодиком 3,3 кВ, выпускаемым компанией eupec. Особенные динамические свойства могут быть применимы приемущественно в 2-ух направлениях: вопервых, имеется очевидное повышение предела безопасности, что в особенности принципиально, когда устройства эксплуатируются в некорректных критериях и должны выдерживать более высшую нагрузку, чем при обыкновенном режиме включения. Не считая того, вероятна спецификация более крутых значений di/dt и dv/dt при включении для IGBT в преобразователе даже для обычного режима работы. Как следствие, может быть уменьшение коммутационных утрат Eon. Для нахождения оптимизированных черт управления модуля IHV (высоковольтный транзисторный модуль с напряжением выше 2,5 кВ) 1200 A, 3,3 кВ изготовлена оценка критичных динамических значений.

Рис. 7 указывает соотношение меж нагрузкой, оказываемой на диодик во время переключения (характеризуется Pmax: пиковой мощностью в процессе восстановления) и коммутационными потерями IGBT Eon.

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 7. Соотношение меж пиковой мощностью антипаралпельного диодика и энергией IGBT при включении Еon. Повышение ОБР позволяет управлять IGBT резвее и уменьшить Еот на 24%

Данные на рис. 7 относятся к модулю IHV 1200 A, 3,3 кВ; они получены при изменении сопротивления на затворе RGon и емкости CGE на затворе-эмиттере. Для EmСon-диода 3,3 кВ допустимая ОБР ограничивается мощностью Pmax = 1,2 MВт и установленной энергией при включении Eon = 2,9 Вт·с согласно рис. 7. Повышение ОБР до 2,4 МВт (вдвое) позволяет уменьшить RGon. При ограничении Pmax до значениий, не превосходящих 2,4 МВт, Eon может быть существенно уменьшена (на 24%) — от 2,9 Вт·с до 2,2 Вт·с. Установленное сопротивление затвора миниатюризируется до RGon = 0,9 Ом; емкость CGE = 220 нФ.

Такая же серия измерений была осуществлена с CGE = 0 (нижняя кривая на рис. 7). Разумеется, что корреляция двигается к более высочайшему уровню Eon при отсутствии CGE. При использовании конденсатора меж затвором и эмиттером можно оказывать влияние на di/dt и dv/dt независимо друг от друга. dv/dt имеет преобладающее воздействие на энергию IGBT при включении. Применение CGE позволяет прирастить dv/dt, при всем этом di/dt может поддерживаться в умеренном спектре. При таких критериях Eon миниатюризируется, не оказывая очень сильной нагрузки на антипараллельный диодик.

Коммутационные кривые для режима работы с RGon = 0,9 Ом и CGE = 220 нФ показаны на рис. 8 для температур 25 и 125 °C. Даже при очень крутом возрастании di/dt до 9 кА/мкс восстановление диодика протекает «мягко». Эти диоды без заморочек выдерживают наивысшую скорость нарастания напряжения dv/dt во время переключения, равную приблизительно 7,6 (13,0) кВ/мкс при 125 °C (25 °C).

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 8. Восстановление при номинальных критериях с уменьшенным RGon и увеличенной di/dt (9 кА/мкс) дпя HDR силового диодика в модуле FZ12O0R33KF2C Показаны обе коммутации: 25 °С (вверху) и 125 °С (понизу)

Установленная ОБР не должна быть превышена в хоть какой момент процесса восстановления при номинальных критериях. Обычным способом демонстрации реальной нагрузки, оказываемой на диодик при коммутации, является изображение геометрического места точек IR = f(VR) на диаграмме ОБР (SOA), которое представлено на рис. 9 для процесса восстановления, показанного на рис. 8 для модуля IHV 1200 A, 3,3 кВ. Мы делаем вывод, что при разных критериях эта кривая геометрического места точек всегда остается снутри расширенной ОБР для HDR-EmCon силового диодика.

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 9. Геометрическое место точек IR = fVR) для восстановления диодика модуля 1200 А, 3,3 кВ при lF от 0,5 x Inom до 1 x Inom уменьшенном RGon. Для Vcc= 1800 B1L0, setup= 65 нГ EmCon-HDR силовой диодик не выходит за границы ОБР. Показано расширение ОБР для EmCon-HDR-диода в сопоставлении со стандартным EmCon силовым диодиком

Более детализированный взор на форму кривой на рис. 9 дает представление о том, как оказывает влияние нагрузка на диодик во время восстановления. Процесс начинается сначала диаграммы, когда и ток, и напряжение равны 0. В течение обыденных 300 нс (фаза «1») IR добивается собственного наибольшего значения, которое очень находится в зависимости от предыдущего прямого тока IF (и от Tvj). Когда IR равен IRM, напряжение VR как и раньше остается в умеренных рамках 600 В, вызывая тем только умеренное внутреннее электронное поле. После того как оборотный ток достигнул собственного наибольшего значения, возрастание напряжения становится более ясным (фаза «2»), а ток при всем этом миниатюризируется. Числовая симуляция процесса восстановления указывает, что в этой области на диодик оказывается наибольшая нагрузка, так как снутри полупроводникового прибора все еще имеется заряд и должна быть выдержана высочайшая скорость dv/dt, приводящая к росту высочайшей динамической напряженности поля. В конце концов, в фазе «3» оборотный ток понижается до 0, оставляя диодик в статическом оборотном непроводящем состоянии.

Сопоставление новейших современных силовых диодов

При сопоставлении EmCon-HDR-диодов со стандартными диодиками 3,3 кВ EmCon, применяемыми в текущее время в IHV-модулях, основное внимание было уделено коммутационным чертам. На рис. 10 показано восстановление обоих типов диодов, измеренных при обыденных критериях, рекомендованных в техпаспорте модуля IHV 1200 A, 3,3 кВ для EmCon-диодов. Тут очевидно нет значимой различия, не принципиально, при каких температурах Tvj (-40 либо 125 °C) происходит коммутация. Диодик EmCon-HDR характеризуется «мягким» восстановлением во всем спектре температур, применяемых в электроприводных преобразователях. [10]

Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 10. Поведение при восстановлении 3,3-киловольтных диодов EmCon-HDR и EmCon при Tvj -40 °С и 125 °С в IHV-модупе 1200 Д, 3,3 кВ при Vcc = 1800 В, lF = 1200A; di/dt = 7200 (5700) A/мкс при Tvj = -40 (125) °С. Кривые для HDR-EmCon-диода смещены наверх на одно деление. Оба типа диодов взаимозаменимы на 100%
Новенькая разработка производства силовых диодов большой мощности EmCon-HDR
Рис. 11. Сопоставление EmCon-HDR-диода с EmCon-диодом по пиковой мощности
Заключение

Новенькая разработка HDR производства EmCon силовых диодов внедряется для получения значимого расширения области неопасной работы диодов. Тесты EmConHDR диодов в критичных режимах работы проявили повышение в 4,5 раза возможности выдерживать пик мощности во время коммутации по сопоставлению с предшествующим поколением силовых диодов — EmCon. Улучшение стойкости EmCon-HDR диодов показано на рис. 10. Улучшение может быть ясно представлено моделированием электронного поля на контактах кристалла. Результатом математического моделирования является оптимизация конструкции, которая улучшает динамические свойства EmConHDR-диода. Главные достоинства новейшей технологии — это существенное повышение границ неопасной рабочей области и уменьшение утрат при включении IGBT силового транзистора на 24% за счет более резвого по времени переключения диодика.