SE#1(1)_web.qxd 4/11/2005 11:28 AM Page 4
Силовая Электроника, ¹ 1’2004
Силовая элементная база
ÕÓ‚‡ˇ ÚÂıÌÓÎӄˡ ËÁ„ÓÚÓ‚ÎÂÌˡ
‰ËÓ‰Ó‚ ·Óθ¯ÓÈ ÏÓ˘ÌÓÒÚË EmCon-HDR
Т ·ÓΠ‚˚ÒÓÍËÏË ‰Ë̇Ï˘ÂÒÍËÏË ı‡‡ÍÚÂËÒÚË͇ÏË
Компании eupec GmbH и Infineon Technologies AG разработали новую
усовершенствованную технологию изготовления диодов, которая улучшает их
характеристики при переключении внутри всей области безопасной работы,
с названием EmCon-HDR (Emitter Controlled — управляемый по ýìèòòåðó;
High Dynamic Robustness — высокая динамическая óñòîé÷èâîñòü). Новый диод
может в 100% случаев заменить диод стандартного типа. Благодаря более
широкой области безопасной работы управление переключением диода может
осуществляться при очень высоких значениях di/dt и dv/dt, ÷òî, в свою î÷åðåäü,
может значительно уменьшить потери при включении IGBT-транзистора.
Статью подготовил
Андрей Копылов
andrei.kopylov@intechec.ru
Авторы:
Й. Бирманн1)
К.Х. Хоппе1)
О. Шиллинг1)
,
,
,
Й. Г. Бауэр2)
А. Маудер2)
Е. Фальк2)
,
Х.Й. Шульце2)
Х. Рютинг2)
Г. Ашатц3)
,
,
,
,
Введение
Стремительная эволюция IGBT-технологий в переходе
от планарной структуры к технологиям
«утопленного» канала (trench gate technology)
и «Field Stop», требует непременного улучшения рабочих
характеристик антипараллельного диода
FWD (Free-Wheeling Diode — безынерционный диод).
Включение IGBT-транзистора, а следовательно,
и энергия потерь при его включении зависят
от процесса обратного восстановления антипараллельного
диода. Предыдущий вариант обратного
диода — EmCon-диод был получен путем оптимизации
внутренних вертикальных структур полупроводникового
прибора, предложенной компаниями
Infineon и eupec. В данной статье рассказывается
о последующих шагах усовершенствования антипараллельных
диодов за счет оптимизации их латеральных
структур.
Структура диода
1)Eupec GmbH, Max-Planck-Straße,
D-59581 Warstein, Германия;
2)Infineon Technologies AG, Balanstraße 59,
D-81541 Munich, Германия;
3)Infineon Technologies AG, Siemensstraße 2,
A-9500 Villach, Австрия
4
В основе структуры диода лежит EmCon-концепция
[1], оптимизирующая распределение носителей
заряда и форму электрического поля во внутренней
структуре. В то время как другие технологии
требуют больших усилий на создание однородности
эпитаксиального кремниевого слоя и еще более
значительных затрат на снижение времени жизни
носителей, такие, как имплантация протонов
или гелия, испускание электронов или диффузия
тяжелых металлов, EmCon-концепция использует
в качестве исходного материала кремний, выращенный
методом плавающей зоны (float-zone), имплантацию
ионов и требует лишь незначительных
действий по сокращению времени жизни основных
носителей зарядов.
В частности, диод состоит из низколегированного
основного материала, выращенного методом плавающей
зоны, с неглубокими р-эмиттерами на передней
стороне. Обратная сторона — n+
-эмиттер — выполняет
две функции. Она используется для определения
нарушения электрического поля на обратной
стороне и фиксации эффективности n-эмиттера
на желаемом уровне. Так, распределение носителей
зарядов находится главным образом под влиянием
имплантированных p- и n-эмиттеров, и нет необходимости
сокращать время жизни дополнительных
местных носителей; это иногда используется, чтобы
снизить эффективность p-эмиттера для получения
низкого пика обратного тока.
Симуляция восстановления диода
и улучшение контакта кристалла
Диоды высокого напряжения требуют хорошо
сконструированных краевых контактов. Это может
быть достигнуто различными способами, например,
с помощью 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] или технологии плавающих предохранительных
колец [7], соединенных с полевыми пластинами
[8], — последняя и используется в EmCon-диодах.
Данная система выводов должна быть сконструирована
для достаточного блокирующего напряжения.
Числовая симуляция восстановления диода достигнута
при использовании двухмерного устройства симуляции
MEDICI [9]. В отличие от одномерных симуляций,
где рассматривается только активная часть диода,
мы рассчитываем полную вертикальную структуру
3,3 кВ Emcon-диода, включая систему выводов.
Рис. 1 показывает ток IR и напряжение VR во время
включения IGBT-транзистора для EmCon-диода
с новейшей системой выводов (сплошная линия)
как антипараллельного диода с номинальным током
в 100 А. Температура — 125 °C, а напряжение
постоянного тока VCC — 1800 В. Начиная при пряwww.finestreet.ru
Стр.1
SE#1(1)_web.qxd 4/11/2005 11:28 AM Page 5
Силовая Электроника, ¹ 1’2004
Силовая элементная база
Таблица
параметр
Tvj
VCC
RGon
Рис. 1. Симулированные кривые
восстановления новейшего
EmCon-äèîäà 3,3 кВ (ñïëîøíàÿ ëèíèÿ)
и EmCon-HDR-äèîäà 3,3 кВ (пунктирная ëèíèÿ)
мом токе IF 100 A, ток диода уменьшается со
скоростью коммутации di/dt = 460 A/мкс
и dv/dt = 6 кВ/мкс, и максимальный обратный
ток IRM равен 130 A. Данный диод характеризуется
«мягким» восстановлением, следующим
за «хвостовым» временем около 3 мкс.
Пунктирные линии показывают кривые обратного
восстановления диода для нового
EmCon-HDR с оптимизированной краевой
структурой. Значение IRM почти идентично.
Рис. 2 изображает плотности тока под поверхностью
примерно через 0,1 мкс после достижения
максимального IRM, которые возникают
на краю во время обратного восстановления.
Данная плотность тока может
быть редуцированна посредством новой системы
выводов. Рис. 2 показывает симулированную
плотность дырочного тока для новейшего
современного диода (сплошная линия)
и для нового EmCon-HDR диода (пункÐèñ.
3. Симулированная величина
электрического поля на поверхности
полупроводника
(ñïëîøíàÿ ëèíèÿ: новейший EmCon-äèîä;
пунктирная линия: с оптимизацией контактов)
тирная линия). Дырочный ток, протекающий
к аноду при выключении диода, приводит
к значительному увеличению максимального
электрического поля, и, следовательно,
к динамической лавине.
В нашем EmCon-HDR-диоде результатом
сниженной плотности дырочного тока является,
в то же самое время, значительное уменьшение
величины электрического поля на поверхности
полупроводника. На рис. 3 сплошная
линия — распределение электрического
поля на поверхности для новейшего EmConдиода
в пределах краевой системы. Пунктирная
линия показывает величину электрического
поля, вызванного оптимизацией пространства
кольца поля, пластины поля и профилями
легирования EmCon-HDR-диода. Максимальная
величина электрического поля снижена на
35%. Как снижение плотности тока, так и снижение
электрического поля ведут к значительному
улучшению устойчивости диода.
Устойчивость Emcon-HDR-äèîäà
Рис. 2. Симулированные плотности дырочного
тока на поверхности полупроводника
(ñïëîøíàÿ ëèíèÿ: новейший EmCon-äèîä;
пунктирная ëèíèÿ: Emcon-HDR-äèîä
с оптимизацией контактов)
Испытания двойным импульсом проводились
для того, чтобы исследовать предел устойчивости
нового EmCon-HDR-устройства.
Нагрузка на диод, лежащая далеко за пределами
установленной области безопасной работы,
вызывалась изменением одного из параметров,
обозначенных стрелкой в таблице.
Кривые, выведенные при критических условиях,
показаны на рис. 4 и 5. Коммутационный
диод нагрет до 125 °C, а коммутацией
управляет IGBT 1200 A/3,3 кВ. Здесь нет
Lsetup
IF
эффект
температура перехода накопленный заряд QIT
увеличивается
сопротивление вкл.
на затворе
пост. напряжение
промеж. звена
индуктивность рассеяния
прямой ток
увеличивается di/dt
и dv/dt
увеличивается dv/dt ;
VRmax
увеличивается QIT;
уменьшается dv/dt
VRmax
ни внешнего сопротивления затвора RGon,
ни емкости CGE на выводах IGBT затвор —
эмиттер; время коммутации процесса восстановления
ограниченно только посредством
VCC, IF, Lsetup и коммутационными характеристиками
IGBT. На рис. 4 показано восстановление
диода 1200 A при VCC = 2500 В
в схеме включения с L = 65 нГ. Прямой ток
выбран довольно небольшим, чтобы достичь
высокого значения dv/dt — 20 кВ/мкс. Даже
в этом режиме dv/dt возможно восстановление
без разрушения.
Антипараллельные диоды с небольшим
номинальным током Inom = 200 A подчиняются
коммутации, управляемой тем же самым
IGBT-транзистором на 1200 A. При использовании
силового ключа, имеющего более
высокий расчетный ток, чем антипараллельный
диод, можно выявить режим критических
di/dt (по отношению к проверяемому
диоду). В данной конфигурации антипараллельный
диод подвергается нагрузке при условиях,
далеких от тех, которые ожидаются
при нормальном режиме работы, когда расчетный
ток IGBT-ключа и антипараллельного
диода обычно одинаковы. Результат испытания
di/dt показан на рис. 5 для постоянного
напряжения 2300 В. Обратное восстановление
di/dt достигает 5,5 кА/мкс (то есть
27·Inom/мкс по отношению к диоду) и диод
все еще выдерживает процесс восстановления.
В условиях нормального режима работы
di/dt обычно достигает только значений
до десяти раз больших, чем Inom/мкс. Введение
EmCon-HDR-технологии гарантирует
высокий предел безопасности.
Обзор нескольких экспериментов, осуществленных
при различных условиях для изучения
предела коммутационной устойчивости,
представлен на рис. 6 графиком корреляÐèñ.
4. Восстановление диода при критической dv/dt и Tvj = 125 °C.
Чтобы достичь 20 кВ/мкс, коммутируется небольшой ток,
а внешнее RGon = 0 Îì. Inom = 1200 A
www.finestreet.ru
Рис. 5. Восстановление диода при критической di/dt.
Антипараллельный диод с расчетным током 200 A выключен
при использовании переключателя, имеющего расчетный ток 1200 A.
Достигнуто значение 5,5 êA/ìêñ (=27·Inom/ìêñ)
5
Стр.2
SE#1(1)_web.qxd 4/11/2005 11:28 AM Page 6
Силовая Электроника, ¹ 1’2004
Силовая элементная база
тательная конфигурация подходит для достижения
критических значений di/dt, доходящих
до 30·Inom/мкс. При увеличении постоянного
напряжения VCC скорость переключения
непрерывно увеличивается до тех
пор, пока не произойдет разрушения при
Ðèñ. 6. Корреляция между dv/dt и di/dt,
происходящая при восстановлении
EmCon-HDR-äèîäà. Прямой ток IF (ââåðõó)
или постоянное напряжение VCC (внизу)
изменяются для того чтобы изучить предел
устройства. Найден предел для экстремальных
di/dt (êðàñíûé ñèìâîë). 1200-àìïåðíûé IGBT
используется в качестве переключателя
ции между dv/dt и di/dt. di/dt упорядочивается
относительно номинального тока диода,
для того чтобы представить на одном графике
данные из различных экспериментов.
В верхней части рис. 6 расчетный ток IGBT
и антипараллельного диода одинаковы
(Inom = 1200 A). Эффект увеличения прямого
тока IF рассматривается для двух температур
(25 °C; 125 °C). С увеличением IF наблюдается
сильное возрастание di/dt, в то время как
dv/dt уменьшается. Уменьшение dv/dt происходит
потому, что переключающий IGBT
коммутирует напряжение медленнее, когда
он должен передавать высокий ток после
включения. Самые высокие значения dv/dt
(40 кВ/мкс) наблюдаются для низкого тока IF
и низкой температуры Tvj. Это особенная
черта нового EmCon-HDR-диода: надежно
восстанавливаться в условиях единичного
пульса даже в таком тяжелом режиме. Устойчивость
инверторной системы по параметру
dv/dt не будет ограничена диодом, если применяется
технология EmCon-HDR. Имеются
и другие элементы, подобные обмотке двигателя,
которые вызывают увеличение значения
dv/dt до предела.
В нижней части рис. 6 та же самая оценка
сделана для конфигурации, в которой расчетный
ток антипараллельного диода намного
меньше по сравнению с IGBT-ключом
(200 A по сравнению с 1200 A). Данная испыdi/dt
= 27·Inom/мкс (5,4 кA/мкс для антипараллельного
диода на 200 A). Для изучения механизма
разрушения представляется анализ
разрушенного диода. В диоде была обнаружена
расплавленная зона в центре анодного
контакта кристалла диода. Тот факт, что
не наблюдается повреждений контактов кристалла
или пассивации на чипе, вновь доказывает,
что измерения, проведенные для снятия
динамической нагрузки с контактных
слоев кристалла, были верными.
ОБР для диода Emcon-HDR
Более высокая динамическая устойчивость
EmCon-HDR-диода позволяет в два раза расширить
область безопасной работы (ОБР;
SOA — Safe Operating Area) для непрерывного
режима по сравнению с имеющимся стандартным
диодом 3,3 кВ, выпускаемым компанией
eupec. Особые динамические характеристики
могут быть применимы главным
образом в двух направлениях: во-первых,
имеется явное увеличение предела безопасности,
что особенно важно, когда устройства
эксплуатируются в неправильных условиях
и должны выдерживать более высокую нагрузку,
чем при обычном режиме включения.
Кроме того, возможна спецификация более
крутых значений di/dt и dv/dt при включении
для IGBT в преобразователе даже для
нормального режима работы. Как следствие,
возможно уменьшение коммутационных потерь
Eon. Для нахождения оптимизированных
характеристик управления модуля IHV (высоковольтный
транзисторный модуль с напряжением
выше 2,5 кВ) 1200 A, 3,3 кВ сделана оценка
критических динамических значений.
Рис. 7 показывает соотношение между нагрузкой,
оказываемой на диод во время переключения
(характеризуется Pmax: пиковой
мощностью в процессе восстановления)
и коммутационными потерями IGBT Eon.
Данные на рис. 7 относятся к модулю IHV
1200 A, 3,3 кВ; они получены при изменении
сопротивления на затворе RGon и емкости CGE
Рис. 7. Соотношение между пиковой
мощностью антипараллельного диода
и энергией IGBT при включении Eon.
Увеличение ОБР позволяет управлять IGBT
быстрее и уменьшить Eon на 24%
на затворе-эмиттере. Для EmСon-диода 3,3 кВ
дозволенная ОБР ограничивается мощностью
Pmax = 1,2 MВт и установленной энергией
при включении Eon = 2,9 Вт·с согласно рис. 7.
Увеличение ОБР до 2,4 МВт (в два раза) позволяет
уменьшить RGon. При ограничении
Pmax до значениий, не превышающих 2,4 МВт,
Eon может быть значительно уменьшена
(на 24%) — от 2,9 Вт·с до 2,2 Вт·с. Установленное
сопротивление затвора уменьшается
до RGon = 0,9 Ом; емкость CGE = 220 нФ.
Такая же серия измерений была осуществлена
с CGE = 0 (нижняя кривая на рис. 7).
Очевидно, что корреляция сдвигается к более
высокому уровню Eon при отсутствии CGE.
При использовании конденсатора между затвором
и эмиттером можно влиять на di/dt
и dv/dt независимо друг от друга. dv/dt имеет
преобладающее влияние на энергию IGBT
при включении. Применение CGE позволяет
увеличить dv/dt, при этом di/dt может поддерживаться
в умеренном диапазоне. При таких
условиях Eon уменьшается, не оказывая очень
сильной нагрузки на антипараллельный диод.
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 диода протекает «мягко».
Эти диоды без проблем выдерживают максимальную
скорость нарастания напряжения
dv/dt во время переключения, равную примерно
7,6 (13,0) кВ/мкс при 125 °C (25 °C).
Ðèñ. 8. Восстановление при номинальных условиях с уменьшенным RGon и увеличенной di/dt (9 êA/ìêñ) для HDR-äèîäà в модуле FZ1200R33KF2C.
Показаны обе коммутации: 25 °C (ââåðõó) и 125 °C (âíèçó)
6
www.finestreet.ru
Стр.3