快速恢复二极管及其模块

快速软恢复二极管及其模块

王培清 张斌

清华大学电力电子厂 北京 102201

摘 要 在高频应用中为了减少电路损耗和防止过电压尖峰对器件的损坏，需要快速软恢复二极管。硬开关过程中存在二极管反向恢复电流（Irm ）增加了开关器件开通损耗率和过电压尖峰，并且在快速di/dt 开关时能够产生电磁干扰。本文介绍了采用特殊工艺设计的快速软恢复二极管。该二极管是为高频应用而设计的，在高频应用方面具有稳定的开关特性。本文还介绍了用该二极管制造的200A 绝缘型和非绝缘型快速软恢复二极管模块及其应用。

关键词 快速 软恢复二极管 模块

1．快速软恢复二极管介绍

大功率快速软恢复二极管主要应用在高频电力电子电路中，它与主回路中的晶闸管或IGBT 等新型电力半导体开关器件相并联，开关器件反向时，流过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的过电压尖峰。为了提高开关器件及电力电子线路的可靠性和稳定性，必须使用快速软恢复二极管。

快速软恢复二极管可以减少高频电路的损耗。在硬开关过程中存在的主要问题是：二极管反向恢复电流（Irm ）增加了开关器件开通损耗率，并且在快速di/dt 开关时能够产生电磁干扰。如果反向恢复电流很快回到零点，就会产生尖峰电压和电磁干扰。降低开关速度或使用缓冲电路可以降低尖峰电压。增加缓冲电路会增加电路成本并且使电路设计变复杂。这都是我们所不希望的。

本文介绍了快速软恢复二极管及其模块。该模块电压范围从400V 到1200V ，额定电流从60A ～400A 不等。设计上该模块采用外延二极管芯片，该芯片采用平面结终止结构，玻璃钝化(图1[1])并有硅橡胶保护。恢复特性如图2[2]所示。

快速软恢复二极管的基区和阳极之间采用缓冲层结构，使得在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷，并且驻留时间更长，提高了二极管的软度。快恢复二极管的软度由图2定义，

软度因子 a

b t t

S =

图

1

图2

反向峰值电压由下式确定：

⎟⎠⎞⎜⎝

⎛

+×=S V V R RM 11

V R 为加在二极管上的反向电压。

二极管道软度因子越大，在关断过程中产生的反向峰值电压越低，使开关器件及整个电路处于较安全的状态。一般国内生产的快速二极管其反向恢复时间较长，大约在1～6μs，软度因子约为0.3，国内有多家整流器制造公司也在研究快速软恢复二极管，电流较大，但软度因子在0.4～0.6之间[3]。

传统的快速整流二极管使用掺金或铂的外延片以控制载流子寿命，但这些二极管表现出了以下的技术缺点：

1．正向电压降V f随着温度的升高而降低；

2．高温下漏电流大；

3．高温下快速di/dt时开关不稳定。

有一种二极管称为SONIC二极管[1]，其反向恢复时间比较长，约0.2～0.4μs，软度因子在0.7左右。在制造中除了采用平面结终止结构，玻璃钝化并有硅橡胶保护外，还采用了从硅片背面进行深扩散磷和控制轴向寿命抑制因素，使快速二极管的反向恢复电流衰减较慢，具有反向“软恢复”特性，防止在高频应用时在硬关断过程中产生过高的反向尖峰电压，保护了开关器件及其二极管自身。该二极管在整个工作温度范围内性能稳定，并且对于温度的变化正向电压降的变化可以忽略不计。该二极管是为高频应用设计的，在高频应用时稳定可靠。

新的快速软恢复二极管－SONIC二极管系列克服了这些缺点，它们的优点为：

1．并联二极管工作时正向电压降Vf与温度无关；

2．阻断电压稳定，漏电流比掺金和铂的小；

3．快速软恢复二极管在高温下反向漏电流从25℃到125℃比掺铂FRED少50%。

SONIC二极管采用磷深扩散和轴向寿命抑制因素，电压从600V至1800V，如图3所示。在硼中受控的轴向寿命抑制因素用来控制区域1中空穴的发射效率。区域2所示的软N区为软恢复提供了额外电荷。空穴的较低的发射效率使得器件的正向电压降对温度不太敏感，这有利于二极管并联工作，并且在高温时开关损耗最小。利用电子辐照作为附加的标准寿命抑制因素，二极管的软度可以得到进一步控制[1]。

图3 SONIC软恢复二极管的寿命控制

该二极管恢复波形异常的平滑没有振荡，所以电磁干扰EMI值非常低。这种软恢复二极管不仅导致开关损失减少，而且允许去除二极管的并联RC缓冲器。采用轴向寿命抑制因素可以得到最佳性能的二极管。

电力电子学中的功率开关器件（IGBT、MOSFET、BJT、GTO）总是和快速二极管相并联，在增加开关频率时，除传导损耗以外，功率开关的固有的功能和效率均由二极管的反向恢复特性决定（由图2的Qrr, I RM 和Irr特性表示）。所以对二极管要求正向瞬态压降小，反向恢复时间断，反向恢复电荷少，并且具有软恢复特性。

反向峰值电流I RM是另一个非常重要的特性。反向电流衰变的斜率di rr/dt由芯片的工艺技术和扩散参数决定。在电路中，这个电流斜率与寄生电感有关，例如连接引线，引起过电压尖峰和高频干扰电压。di rr/dt 越高（“硬恢复”特性），二极管和并联的开关上产生的附加电压越高。反向电流的缓慢衰减（“软恢复”特性）是令人满意的特性。所有的FRED二极管都采用了“软恢复”特性，SONIC二极管的恢复特性更“软”，它们的阻断电压范围宽，使这些快速软恢复二极管能够作为开关电源(SMPS)的输出整流器，以及逆变器和焊接电源中的功率开关的保护二极管和续流二极管。2．快速软恢复二极管的一种方法

2.1采用缓冲层结构的软恢复二极管[4]

采用缓冲层结构显著改善了二极管的反向恢复特性。为了缩短二极管的反向恢复时间，提高反向恢复软度，同时使二极管具有较高的耐压，采用了缓冲层结构，即利用杂质控制技术由轻掺杂的N1区及较重掺杂的N2区组成N基区；二极管的阳极采用由轻掺杂的P区与重掺杂的P＋区镶嵌组成，该P－P＋结构可以控制空穴的注入效应，从而达到控制自调节发射效率和缩短反向恢复时间的目的。

图4 采用缓冲层结构二极管示意图

2.2 芯片设计

2.2.1 原始硅片

根据二极管电压要求，同常规低导通压降二极管设计参数相同。

2.2.2扩散参数设计

阴极