电力半导体器件原理与设计(下)

2008年10月24日 电力半导体器件原理与设计 关艳霞 办公室 信息楼130室 下 晶闸管派生器件 第七章晶闸管派生器件 快速晶闸管 双向晶闸管 逆导晶闸管 门极可关断晶闸管 GTO 内容 7 1快速晶闸管 快速晶闸管是适用于高频场合的结构最简单的一种高频晶闸管 其基本结构与普通晶闸管相同 为 P1 N1 P2 N2 三端结构 它同样是利用门极触发电流使处于断态的晶闸管开通 而开通之后靠内部的电流再生正反馈作用维持开通 利用加反向电压而关断 因此 开关特性相似 开关过程相同 快速晶闸管也是一种逆阻型器件 为了满足高频应用的要求 其开关特性比普通晶闸管作了明显改进 分别讨论于下 晶闸管派生器件 1 门极 阴极图形设计在快速晶闸管中 除了普遍采用放大门极结构以外 还要把门极 阴极图形进行合理设计 采用交叉指状和渐开线结构等 使门极对阴极的初始线作用长度增加 2 寿命控制关断特性好 关断时间短 反向恢复电荷少等 是快速晶闸管的特点之一 改善关断特性的方法是进行基区少子寿命控制 以降低N1基区的少子寿命 掺金和电子辐照是常用来降低少子寿命的工艺 3 阴极短路点的合理设计合理地使用阴极短路点 综合考虑个动态参数之间的相互影响 以获得良好的效果 晶闸管派生器件 4 基区厚度的考虑为了满足晶闸管耐压的要求 阻断电压增加时 通常采用较厚的硅片 这使得晶闸管的开通速度降低 通态压降增加 对于快速晶闸管 为改善开通特性 应采用较薄的基区 wn1较小 从而使基区输运系数增加 电流放大系数变大 以加速开通过程 相反 将使其耐压能力受到影响 由以上简单分析知道 改善快速晶闸管动态参数是利用降低静态特性 如耐压 来达到的 晶闸管派生器件 晶闸管派生器件 7 2双向晶闸管 1 双向晶闸管的产生与基本特性2 双向晶闸管的触发原理与触发方式3 双向晶闸管的特性及主要参数 1 双向晶闸管的产生与基本特性1 双向晶闸管的产生 在控制交流功率时 常常要使用两只晶闸管反并联 每只控制半个周期 需要两套独立的触发电路 使用起来很不方便 1963年10月 Gentry提出了一种三端交流开关Triac 这是一种有短路发射极 P门极 结型门极和远隔门极触发的三只晶闸管的集成器件 这就是双向晶闸管 一般地 它有5个PN结5层结构 又综合了结型门极和远隔门极两种新的结构 功能上 具有两只反并联晶闸管的特性和作用 而外形类似于普通晶闸管 在线路上达到真正简化的目的 这是功率集成器件的起点 该种器件在1965年国外已经商品化 晶闸管派生器件 2 基本特性 结构 特性 晶闸管派生器件 2 双向晶闸管的触发原理与触发方式 晶闸管派生器件 2 双向晶闸管的触发原理与触发方式 晶闸管派生器件 3 双向晶闸管的特性及主要参数1 额定电流IT双向晶闸管的电流容量用用有效值来表示 一只交流有效值为IT的双向晶闸管可代替二只平均值额定电流为的普通晶闸管反并联使用 浪涌电流ITSM双向晶闸管的浪涌电流ITSM按标准规定是全波电流 浪涌电流过后不要求器件能承受正向或反向阻断电压 即允许短时失控 以过载后器件不损坏和耐压不降低为准来考核 晶闸管派生器件 3 双向晶闸管的特性及主要参数3 额定电压商品中的双向晶闸管其额定电压一般在2000V一下 其愿意有二 双向晶闸管多用于380V以下的一般交流控制 工艺上的限制 过高的电压必须很厚的硅片 这会影响换向能力和触发灵敏度 4 双向晶闸管的换向特性 换向dv dt在某一半周电流过零后 双向晶闸管必须承受另一半周并有较高dv dt的电压而不导通 否则失控 双向晶闸管承受这种dv dt的能力 称为换向dv dt 晶闸管派生器件 3 双向晶闸管的特性及主要参数 换向机理 晶闸管派生器件 7 2逆导晶闸管 1 KN的产生与基本特性2 KN的特性与特点分析3 KN的特性及主要参数 1 KN的产生与基本特性1 产生1969年美国人R A Kokosa研制出一种利用了阴极和阳极都设有短路发射极的结构的反向无阻断能力的耐高温高压快速晶闸管 由于反向导通电流太低 12A 所以不实用 1972年日本各主要电气公司都研制出了正向电流400A 反向电流150A 正向阻断电压1300V 关断时间为30 s和断态电压为2500V 关断时间为40 s的大容量高电压的快速逆导晶闸管 随后它被定为直流斩波器应用的标准元件 晶闸管派生器件 1 KN的产生与基本特性1 基本特性 符号 等效电路 V I特性 结构示意图 晶闸管派生器件 优点 1 A极和K极的短路发射极结构 有利于调节器件的耐高压能力与开关速度之间的矛盾 从而可制成高压大电流快速开关器件 2 与普通晶闸管相比 逆导晶闸管正向压降小 关断时间短 高温特性好 额定结温高 可达150 3 由于是集成器件 在装置中简化了电路 并缩短了开关的换流时间 4 由于关断时间短 有助于减小斩波装置中的换流电感L0 换流电容C0和换流时间t0 晶闸管派生器件 2 KN的特性与特点分析1 KN的换流特性分析KN的换流能力就是指KN从反向导电状态转为正向阻断状态的过程中 在一定电路条件下KN恢复正向阻断的能力 2 KN发生换流失败的原因 反并联的大二极管D和由阴极 阳极短路点构成的小二极管d的存在是KN易发生换流失败的主要原因 晶闸管派生器件 3 KN的结构特点 阴 阳极均设置短路点 N1长基区宽度较短 晶闸管派生器件 在晶闸管和二极管之间设有隔离区 在晶闸管和二极管之间的阴极面上 腐蚀掉电极金属层 形成一个无欧姆接触的隔离环 在P2区的隔离区阴极环处挖槽 将高浓度的P2区表面处挖掉 增强隔离效果 在加宽P1隔离区的基础上 在隔离区掺金 增强隔离效果 增设高浓度区结构 晶闸管派生器件 4 KN的电性能特点 耐压特性KN的电流和电压等级比KR强得多 而且KN的高温特性较KR的好 KR在120 结温时 耐压能力已经开始下降 而KN在150 下尚保持良好的耐压特性 这是由于阳极也有短路点的缘故 开关特性KN开关特性的主要特点就是高耐压和快速化的统一 由于基区减薄 开通时间和关断时间都可减短 换流特性以 dv dt为条件 用 di dt 以 di dt为条件 用 dv dt均可表示KN的换流能力 晶闸管派生器件 7 3GTO 1 GTO的结构与工作原理2 GTO的主要参数3 GTO再导通机理分析4 GTO的设计要点和关键工艺 1 GTO的结构与工作原理1 普通晶闸管用什么方式进行关断 为什么不能用门极进行关断 普通晶闸管一般采用换相关断法进行关断 而不能用负门极电流进行关断 门极可关断晶闸管的英文名为GateTurn offThyristor GTO为英文名的缩写 普通晶闸管只能用门极开通 不能用门极关断 GTO可以用门极开通 也可以用门极关断 属于全控型器件 晶闸管派生器件 从晶闸管双晶体管模型来看 晶闸管可以用负的门极电流关断 但这没有考虑到晶闸管的横向效应 导通状态的晶闸管基区内储存大量的非平衡载流子 当门极施加负门极电流时 门极附近的J3结停止注入 但由于普通晶闸管的阴极条宽较宽 在P2区有很大的横向电阻的存在 则更深的J3结仍维持正偏 器件仍维持导通状态 晶闸管派生器件 2 GTO的结构特点 GTO的结构特点有二 一是从横向来看 GTO是有许多个相同的小晶闸管并联组成 每个小晶闸管的两侧都设置门极 二 从纵向来看 构成GTO的两个晶体管工作在临界饱和状态 晶闸管派生器件 3 GTO的种类 逆阻型GTO 非对称型GTO 阳极短路型GTO 逆导型GTO 非对称GTO 阳极短路型GTO 逆导型GTO 晶闸管派生器件 3 GTO的种类 掩埋门极型GTO掩埋门极型GTO是在GTO的门极P基区利用外延法形成高浓度的P 层 它具有高的门极 阴极击穿电压 而P基区的横向电阻又非常小 满足了GTO二维关断的要求 透明阳极型GTO在穿通型GTO的缓冲层上 用离子注入B形成一个很薄的P型发射区 由于缓冲层的存在 N基区的厚度可以作得很薄 通态压降就小 P型发射区的注入比做得很低 因而称作透明型 关断损耗就低 这就容易获得通态损耗和关断损耗之间的折衷 晶闸管派生器件 该GTO是由瑞士ABB半导体公司提出的 它是在穿通型GTO的N 缓冲层上 用离子注入B形成一个很薄的P型发射区 由于N 缓冲层的存在 N基区的厚度可以作得很薄 通态压降就小 P型发射区的注入比做得很低 因而称作透明型 关断损耗就低 这就容易获得通态损耗和关断损耗之间的折衷 晶闸管派生器件 4 GTO的工作原理 GTO的开通过程GTO的开通过程与普通晶闸管类似 GTO的关断过程 一维关断过程 N2P2N1维持导通的基极电流 N2P2N1实际的基极电流 GTO的关断条件 Kirchhoff 晶闸管派生器件 一维关断过程 要提高GTO的关断增益 off 必须有 N2P2N1晶体管的电流放大系数 2尽可能大 临界导通 2尽可能大即负门极电流的抽取作用愈明显 实际的关断特性受横向电流的影响 因此要做二维分析 晶闸管派生器件 二维关断过程 GTO的关断过程包括储存时间ts和下降时间tf 它们分别对应于器件关断区的扩展及两个基区储存电荷的消失 靠近门极的区域首先截止 而远离门极处则仍处于导通 P2区载流子分布 晶闸管派生器件 关断区的扩展速度 P2区内电子扩散电流在z方向的分量 半阴极条电流 晶闸管派生器件 从导通区域流入单元的横向扩散电流 该单元内的电荷量 Q 晶闸管派生器件 影响导通区收缩的速度的因素 随负门极电流IG的增加而增加 随关断增益减小而增大 随P2区厚度WP2的减小而增大 随P2区少子寿命的增加而增加 随xb的增加而增大 既阴极边沿的关断速度要大于中心的关断速度 晶闸管派生器件 2 GTO的主要参数 1 关断时间toff ts 从门极负信号开始到阳极电流下降至导通电流的90 所需的时间 即关断区的收缩所对应的时间 tf 定义为阳极电流从90 降到10 所需的时间 在这段时间里 剩余载流子继续从门极排除 1和 2继续减小 阳极电流急剧下降 tT 剩余载流子复合时间 即阳极电流从10 到完全关断时所需的时间 晶闸管派生器件 关于储存时间的讨论 GTO的储存时间ts所对应的瞬态关断包含两个方面的意义 一是导通区从阴极边沿开始收缩到阴极中心一个扩散长度Ln所需要的时间 二是从导通态过渡到开始小于1的时间 由于后者一般前者短得多 因此粗略地可以用导通区从S 2收缩到Ln所需要的时间为存储时间 晶闸管派生器件 若ts趋于无穷大 则发生关断失效 影响xb移动的因素有 一方面 IG使导通区不断向阴极单元中心收缩 另一方面在导通区与关断区之间存在电子浓度梯度 该梯度产生的电子扩散电流的方向使小单元TWp xb内的少子 空穴增加 从而使导通区的收缩减慢 尤其当 off过大 即负IG抽走空穴的作用抵消不掉导通区扩散流的作用 边界xb移动速度将趋于零而使关断失效 晶闸管派生器件 2 最大可关断电流IATO 晶闸管派生器件 最大可关断电流IA max 即取决于二维横向参数Rb Vgc 又取决于一维纵向的 1和 2 减小阴极单元条宽S 并将GTO的阴极图形设计成高度叉指状是GTO设计中与普通晶闸管的设计中重要的区别之一 晶闸管派生器件 影响最大可关断电流IATO的因素的讨论 结温对IATO的影响 Rpb对IATO的影响 1和 2对IATO的影响 图形结构和工艺对IATO的影响 3 关断增益 off 4 擎住电流IL IL是指门极加触发信号后 阳极导通时的临界电流 由于GTO采用梳状阴极结构 且又是临界导通 因此GTO的IL要比普通晶闸管的IL大得多 实际应用中要特别注意 晶闸管派生器件 5 阳极平均电流Icp 普通晶闸管的额定电流即是平均电流 对于GTO来说 一般给出IATO 其平均电流可根据脉冲占空比来计算 若阳极电流脉冲占空比为50 则 3 GTO再导通机理分析GTO在关断瞬间产生局部过热点由于各个GTO单元参数分布不能完全一致 使得各个GTO单元不能同时关断 这样就可能使关断瞬态功耗集中在个别关断较晚得GTO单元上 从而形成局部过流 使GTO产生局部过热点 而局部过热点正是引发GTO再导通得根本原因 晶闸管派生器件 3 GTO再导通机理分析2 温度对GTO单元电压容量得影响因为各个GTO的分散性 使得靠近热点并有较大 1和 2的GTO单元首先由断态转为通态 导致GTO再次导通 4 GTO的设计要点和关键工艺1 必须严