高效应用的增强型第4代CAL二极管

2.1新型二极管芯片技术与可靠性

CAL二极管是一种平面PIN器件，具有高掺杂的p⁺发射极、轻掺杂的n^－基区、以及两阶梯n^＋阴极区。高掺杂的n^＋区、阴极金属化的欧姆接触、以及n^－基区宽度与阴极浓度分布的优化都导致通态电压的降低。

轴向载流子寿命用电子辐照加He^＋＋离子辐照^[1]控制，这种寿命控制方法不但在二极管的体内创建了通体均匀的复合中心区，更重要的是，还在p／n结的附近创建了高浓度的复合中心区。

在前几代的二极管中，钝化层由玻璃沉积形成，限制了最高结温只能到150°C。由于这个原因，Semikron提出了一种由高稳定的氧化层和多晶层组成的钝化结构（见图1），其中的多晶层使结的终端免受环境的影响，如气氛及污染。P^＋掺杂保护环与金属场板、以及氧化／多晶钝化层的结合保证了终端结构允许高的结温。这种终端结构已经证明在T _jmax=175°C下具有高的热稳定性和可靠性。

为了证实热稳定性而进行了加速可靠性试验。这种高温反偏（HTRB）试验使二极管处于最高结温T _jmax=175°C及95％的稳态阻断电压下，试验周期1000小时。

[p] 通过完整的HTRB试验，CAL4 F 1700V、CAL4 F 1200V、和CAL4 F 650V二极管的漏电流全都显示在稳定的水平，从而证明这种钝化设计具有非常好的高温特性。HTR试验后，二极管的阻断电流仍然很低，并且，尽管经受了长时间的试验，该阻断电流并没有明显的上升。

图1 CAL 4F二极管横截面，标示了场环、单场板及双场板结构。钝化层由氧化层和多晶层组成。

越来越多的功率电子装置被安装在恶劣环境中而没有任何的外部保护。增强型第4代CAL二极管通过多晶钝化层／氧化层设计，并与新近研发出来的双场环设计相结合（如图1所示），可以应用在恶劣条件中。这种新的结终端设计的优点已经应用于650V和1700V新电压等级，也包括已有的1200V续流二极管。

用于抵御环境影响（如高湿度和温度）的新终端设计的可靠性已经通过试验验证，试验时间1000小时，温度85°C，高湿度（85% r.H.），非常高的反偏电压（80%阻断电压）。在上述试验条件（85% r.H.／85°C／80%的V_RM）下进行试验期间检测的漏电流数据显示，整个试验期间漏电流保持稳定。

2.2新型CAL4 F 1700V二极管

对于续流二极管主要的要求是低的静态损耗和低的动态损耗，二者与二极管的安全并联密切关联。为了得到所期望的低的静态损耗，低的正向通态压降是必须的。然而，正向通态压降的降低又会引起动态损耗的增加。对于CAL4 F 1700V二极管，这两种功率损耗之间的平衡是通过轴向寿命及掺杂分布的优化来获得，对于在低的和高的开关频率下应用的二极管尤其如此。

CAL4 F 1700V二极管（额定电流75A）在室温（RT）和高温（T _j=150°C）下相应的通态特性曲线示于图2。CAL4 F 1700V二极管最显著的通态特性，是在电流大于50A以后所呈现的正温度系数dU /dT 。 由于正温度系数dU /dT 的原因，当并联二极管在高功率应用（优化静态及动态功率分配）及直流（DC）高电压应用（关断期间限制动态过电压）时，这种新一代的二极管能够自动分配电流，保持平衡。

为了评价反向恢复特性，我们使用了双脉冲电流，其负载为电感。续流二极管（FWD）由通态向断态的切换，由一个与之串联的IGBT完成。CAL4 F 1700V二极管的换流dI /dt =1500 A/μs，测试结果显示为软的恢复特性（见图3）

图2 CAL4 F 1700V (75A)二极管的室温(RT)及150°C通态特性

图3 CAL 4F1700V二极管的反向恢复特性，其中dI /dt =1500 A/μs

为了论证使用新一代CAL 4F 1700V二极管的模块性能得到改善，我们计算了单个芯片所能承受的负载电流。计算依据是由静态和动态损耗而引起的芯片温度的上升，最大负载电流就是当二极管或IGBT的模拟仿真的温度超过工作温度时的负载电流。

CAL 4F 1700V二极管的增强型终端结构，使它的工作温度能够达到T op=150°C，而CAL I 1700V 和CAL HD 1700V二极管只能工作到T op=125°C。

仿真指出，动态损耗的降低与最高工作结温的提高，二者的结合，使得CAL 4F二极管的性能比CAL I 1700V和CAL HD 1700V具有显著的优势。CAL4 F 1700V二极管的电流性能分别比CAL HD 1700V 和 CAL I 1700V二极管高出27％和33％。仿真只计算到二极管的限定电流。

二极管的转折电压改变以后，有两项参数需要重新设计。首先是掺杂剖面，对于PIN器件，窄的n^－基区必须优化以确保650V以上的转折电压；其二，在一个相当宽的频率范围内对开关损耗与静态损耗之间做出优化折衷，手段则是优化轴向载流子寿命剖面。

当反向恢复以一个中等的dI /dt =1500A/μs换流时，CAL4 F 650V二极管显现了软开关特性，并且反向恢复时间达到了t _rr=0,4μs，如图6所示。

为了证实新型二极管在高速换流时也能够有效地开关，给出了图7所示的室温动态损耗及150°C动态损耗。反向恢复的测试显示，在室温和150°C下，dI /dt 由800A/μs 增加到4500A/μs，动态损耗仅仅上升了2.5倍。在电路短路的情况下，FWD必须能够耐受非常高的开关速度，这时，动态雪崩有可能导致二极管的不可逆的应力损害。通过在临界条件下的反向恢复测量，CAL4 F 650V二极管显示了非常好的动态可重复性，也就是说，非常高的dI /dt =4500A/μs时，也没有造成模块的损坏。

高可靠性的CAL4 F 650V二极管将装配于MiniSkiiP和SkiM模块，并应用于诸如新一代MLI（多电平逆变器）装置。

3 结语

本文介绍了一种增强型第4代CAL续流二极管，电压等级有650V、1200V和1700V。这些二极管使用了人们已经熟知的多晶层／氧化层钝化技术，并与双场环一起优化设计，以达到在最高结温和极其恶劣条件下的极高的可靠性。

由于通态特性得到优化，表现为正温度系数dU /dT ，因此，所有这些二极管都可以理想地用于并联运行而没有过热。此外，650V、1200V和1700V续流二极管的动态测量及匹配的IGBT，都显示了低的反向恢复峰值电流和软的开关特性。对于1200V电压等级，则针对不同的开关频率提供专门的解决方案。CAL 4F 1200V二极管优化于高的开关频率，而CAL4 HD 1200V二极管则在低的开关频率下具有优势。CAL4 F和CAL4 HD二极管都表现为软开关特性，并有非常高的动态可重复性。

这些新一代二极管的优点已经在很多SEMIKRON的模块或者第三方的模块中得到应用。

[p] 4 参考文献

[1] Volker Demuth, Karlheinz H upl, Bernhard K nig, Wolfgang Nichtl-Pecher, “CAL4: The Next Generation 1200V Freewheeling Diode”, PCIM China 2007 Conference 2006, Shanghai, China

[2] Ralf Ehler, “Intelligent power module family SKiiP4 with improved switching behavior” PCIM China Conference 2011, Shanghai, China