1 引言
為了適應(yīng)脈沖功率行業(yè)不同的需要，對(duì)傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體進(jìn)行優(yōu)化。通常，這些傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合不要求器件承受很高正向電流變化率，或相應(yīng)大的尖峰電流。通過修改器件的工作參數(shù)，提高對(duì)這種應(yīng)用場(chǎng)合的適應(yīng)性是可能的。比如，優(yōu)化的對(duì)稱阻斷gto(門極可關(guān)斷)晶閘管作為快速開通開關(guān)(見cern 的fhct's [1-3])，每個(gè)器件可以承受超過50ka的開通峰值電流和超過20ka/s的電流上升率，在脈沖應(yīng)用場(chǎng)合可以取代傳統(tǒng)電子管技術(shù)。幾個(gè)目前正在進(jìn)行的項(xiàng)目就在不同的脈沖功率應(yīng)用場(chǎng)合利用了優(yōu)化的gto晶閘管作為基本的開關(guān)元件。

半導(dǎo)體開關(guān)諸如閘流管具有一些明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電子管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。一般，半導(dǎo)體器件可提供更可預(yù)測(cè)的工作壽命和本質(zhì)上零維護(hù)要求。器件特性保持不變，因此不需要在使用中進(jìn)行輔助電路的調(diào)整，從根本上降低了其復(fù)雜性和功率損耗。如果提供合適的門極信號(hào)，gto晶閘管可提供一個(gè)非常穩(wěn)定而且快速的開通，可以完全免除誤觸發(fā)和波動(dòng)。

對(duì)器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)，包括傳統(tǒng)晶閘管和gto晶閘管技術(shù)的融合，將來也許能提供專門針對(duì)脈沖功率應(yīng)用要求的器件。把器件技術(shù)融合進(jìn)一個(gè)快速開通晶閘管(fto晶閘管)所提供的器件同時(shí)兼?zhèn)鋑to晶閘管承受高的di/dt的能力和傳統(tǒng)晶閘管門極特性的某些優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)優(yōu)化的門極控制開關(guān)的介紹強(qiáng)調(diào)了提高相關(guān)電路器件特性的必要性，尤其是快速二極管。當(dāng)前的技術(shù)使快速二極管不具備承受在脈沖功率開關(guān)電路中常有的大的di/dt的能力?，F(xiàn)有的研究表明提高快速二極管可破壞性的可能性，而且進(jìn)一步的研究仍在進(jìn)行中。

2 脈沖應(yīng)用晶閘管
傳統(tǒng)晶閘管在脈沖場(chǎng)合的應(yīng)用受到它們低的di/dt能力的限制。這個(gè)限制源于小的門極結(jié)邊界和導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)的長(zhǎng)的陽極電流擴(kuò)散時(shí)間。通過用快速開關(guān)晶閘管可以獲得性能上的一些提高，它具有一個(gè)更復(fù)雜的分布的有更長(zhǎng)的門極結(jié)區(qū)的門極，因?yàn)槠骷锔斓膫鲗?dǎo)擴(kuò)散帶來提高開通性能的提高。盡管基本上是作為一個(gè)快速關(guān)斷器件設(shè)計(jì)的，gto晶閘管包括了一個(gè)高度分散的門極結(jié)構(gòu)，這實(shí)際上帶來了比傳統(tǒng)晶閘管快得多得開通特性以及承受更高di/dt的能力。圖1表示了一系列不同的半導(dǎo)體開關(guān)的di/dt和峰值陽極電流的關(guān)系，值作為指導(dǎo)，并不意味著一個(gè)可變的工作條件。其他器件，比如igbt，由于它們有限的峰值電流能力，不適合用在很多的脈沖場(chǎng)合，一個(gè)典型的igbt的參數(shù)包括在圖1中。

圖 1 名義脈沖能力

這雖然不是脈沖應(yīng)用場(chǎng)合完美的解決，但在可得到的半導(dǎo)體開關(guān)中，gto晶閘管提供了最好的di/dt范圍和每個(gè)單元器件承受峰值電流的能力。如果已經(jīng)確定在一個(gè)脈沖場(chǎng)合使用一個(gè)gto 晶閘管，通過犧牲一些不做要求的關(guān)斷能力來提高器件的開通特性是可能的。制造gto晶閘管有兩種基本的機(jī)構(gòu)，對(duì)稱式和陽極縮短式，如圖2所示。

圖 2 對(duì)稱式和陽極縮短式結(jié)構(gòu)

對(duì)稱式結(jié)構(gòu)允許在某些程度上提高反向阻斷能力(可達(dá)80%設(shè)計(jì)的正向電壓)，這個(gè)在脈沖場(chǎng)合一般是要求，而且這類優(yōu)化器件已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)工作使用[1-3]。陽極縮短式器件使用更薄的硅片，但具有有限的反向阻斷能力，典型值是20v，而且要求一個(gè)承受高di/dt的反并二極管。圖3的數(shù)據(jù)，表明了用優(yōu)化的對(duì)稱式2000a，4.5kvgto晶閘管可以獲得的脈沖的范圍，westcode型:wg20045hpxx。

圖3的數(shù)據(jù)是用圖4的簡(jiǎn)單測(cè)試電路獲得的，其波形見圖5，包括用來獲得圖3數(shù)據(jù)的對(duì)稱式器件和一個(gè)同等規(guī)格的門極縮短式器件。在所舉例波形中，器件從1500v進(jìn)行開關(guān)，峰值電流70ka。

圖 3 典型脈沖數(shù)據(jù)

圖5的波形清楚的表明了westcode的半導(dǎo)體型號(hào)wg20045hq在正向電流脈沖時(shí)優(yōu)化的門極縮短器件上有更低的電壓降。和器件壓降相關(guān)的更低的損耗暗示門極縮短型器件性能的提高，但為了保護(hù)器件承受反向電壓采用的更復(fù)雜的電路和合適的高di/dt二極管的可獲得性會(huì)部分抵消這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

圖4 脈沖gto晶閘管實(shí)驗(yàn)電路圖


（a） (b)

圖 5 典型的脈沖測(cè)試結(jié)果

兩種器件結(jié)構(gòu)不同的損耗是硅片厚度的函數(shù)，為了獲得同樣的阻斷電壓，對(duì)稱式結(jié)構(gòu)必須采用更厚的硅片。這在圖6中做了進(jìn)一步的闡述，表示了兩種結(jié)構(gòu)和三種電壓等級(jí)的一系列實(shí)驗(yàn)gto晶閘管的測(cè)試結(jié)果，對(duì)稱式4.5kv器件用符號(hào)“o”表示，門極縮短式4.5kv器件用符號(hào)“+”表示。

顯然，門極縮短型gto晶閘管提供了更好的損耗特性，它作為一個(gè)脈沖開關(guān)的運(yùn)用受到為保護(hù)器件受反壓能力而增加的反并聯(lián)二極管的di/dt能力的限制。這個(gè)將在文章的后面加以論述。在一些只要求持續(xù)時(shí)間很短的脈沖應(yīng)用場(chǎng)合，如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅值維持在器件的反向門極雪崩限度之內(nèi)，即使沒有反并聯(lián)二極管，門極縮短型器件被證明是一個(gè)足夠的解決，但這需要進(jìn)一步的評(píng)估。

在脈沖應(yīng)用中，對(duì)任何一種優(yōu)化的gto晶閘管，為了獲得最佳的性能，門極觸發(fā)脈沖必須給予專門的考慮。這在文獻(xiàn)[3，6]中給予了論述，最小的開通時(shí)間和損耗只能通過相當(dāng)于傳統(tǒng)場(chǎng)合2～3倍的峰值電流，快速上升的門極脈沖來得到。

上述的門極電流的提高有一個(gè)附加的降低各器件間延遲時(shí)間差異的好處，有利于串聯(lián)工作，是脈沖場(chǎng)合的共同要求。峰值門極電流對(duì)開通時(shí)間的影響如圖6所示，它表明了在3種不同類型的gto晶閘管中延遲時(shí)間的收斂性。同一類型的器件表現(xiàn)出更快的收斂性。對(duì)圖7中3種類型的管子，120a的峰值門極電流是適宜的，型號(hào)見圖中說明。

圖 6 硅厚度的影響


圖 7 開通時(shí)間 vs. 峰值門極電流

為了優(yōu)化gto晶閘管的開通性能，要求其他性能上有所折中。尤其在溫度升高時(shí)，門極變得很敏感，會(huì)影響gto晶閘管在一些重復(fù)性場(chǎng)合的應(yīng)用。增加的門極敏感性也會(huì)導(dǎo)致一個(gè)很差的dv/dt特性，尤其在對(duì)稱式結(jié)構(gòu)的器件中。為了彌補(bǔ)這些不足，可能會(huì)包含一些傳統(tǒng)晶閘管的特征，比如，陰極短。

在westcode，為了提高gto晶閘管在脈沖場(chǎng)合的應(yīng)用，進(jìn)一步的工作還在繼續(xù)，而且可能在脈沖應(yīng)用晶閘管規(guī)格的介紹中，最終達(dá)到頂點(diǎn)。fto或快速開通晶閘管，它混合了gto晶閘管的互相交叉門極結(jié)構(gòu)和一些更有利的傳統(tǒng)的晶閘管的門極特性。最初的評(píng)估工作表明可以做一些提高，在對(duì)這樣的一個(gè)專門器件作出許諾之前，必須和這些提高的商業(yè)機(jī)遇相匹配，在脈沖應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)的適用性要首先用現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行證明，目前優(yōu)化的gto晶閘管就是最好的選擇。

3 脈沖應(yīng)用的二極管
gto晶閘管在脈沖應(yīng)用中，工作在不隔離狀態(tài)，而且被其他電路器件圍繞，這會(huì)影響它的性能，這在文獻(xiàn)[3]中有說明。為了充分利用gto晶閘管作為速開通器件的開通能力，要求輔助器件承受過渡開關(guān)時(shí)更高的電壓和更高的電流變化率。為了把能量從開關(guān)器件中轉(zhuǎn)移，要求有吸收網(wǎng)絡(luò)，以便通過更大的脈沖，但這反過來會(huì)增加開關(guān)時(shí)間。輔助元件有時(shí)候表面上好象沒有特殊要求，但必須承受達(dá)20ka/μs的變化率和6kv的電壓。

為了響應(yīng)漸增的交換等級(jí)，已經(jīng)有一些關(guān)于功率二極管承受dir/dt能力的詳細(xì)研究[4-5,7]。除了這個(gè)研究,westcode已經(jīng)著手一個(gè)提高自身快速二極管di/dt承受能力的調(diào)查。

多數(shù)的已經(jīng)經(jīng)歷過的di/dt失效都產(chǎn)生在硅片的邊緣。先前的研究[5]已經(jīng)顯示這種失效可以歸結(jié)于反向恢復(fù)器件在硅片中的電流聚集。所以如果能夠降低這種影響，器件的di/dt承受能力可以提高。

結(jié)合已經(jīng)建立的處理方法,采取在硅片的周圍選擇性照射的方法來分析這種影響。為了降低在這個(gè)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)內(nèi)載流子的壽命,采用照射的方法，因此降低電流載流子的聚集。
4.5kv的二極管樣品用測(cè)試電路獲得的典型二極管恢復(fù)波形見圖8。

圖 8 典型二極管恢復(fù)波形

照射也能用來產(chǎn)生一個(gè)快速平坦的反向恢復(fù)特性。這能減少在反并聯(lián)使用場(chǎng)合關(guān)斷時(shí)附加到半導(dǎo)體開關(guān)上的能量元件。但是，這個(gè)照射能強(qiáng)制提升二極管上的正向電壓降到不切實(shí)際的水平，會(huì)由于過度的功率消耗引起二極管失效。有必要尋找一個(gè)合適的、最適合脈沖場(chǎng)合的折中方案，在測(cè)試樣品中的照射只用于周圍，所以提高正向電壓降約10%，在大多數(shù)場(chǎng)合是一個(gè)可以接受的水平。為了確定脈沖場(chǎng)合最合適的上升還需要進(jìn)一步的工作。
所舉例優(yōu)化二極管的di/dt與恢復(fù)電壓的測(cè)試結(jié)果見圖9。

圖9 二極管測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論
在許多脈沖應(yīng)用中，半導(dǎo)體開關(guān)是一個(gè)合適的電子管技術(shù)的替代。目前，在脈沖應(yīng)用場(chǎng)合，優(yōu)化的對(duì)稱結(jié)構(gòu)gto晶閘管是提供半導(dǎo)體開關(guān)壽命的最合適的器件，盡管可選擇的晶閘管技術(shù)可以提供一些優(yōu)勢(shì)。
輔助元件的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是反并聯(lián)二極管di/dt承受能力，要求充分利用低損耗的陽極縮短技術(shù)gto晶閘管作為脈沖開關(guān)的未來的進(jìn)步，雖然在某些脈沖場(chǎng)合這些可能是首選的器件。
gto晶閘管和傳統(tǒng)晶閘管技術(shù)的結(jié)合，在一個(gè)fto(fast turn-on)晶閘管中，將來也許能提供優(yōu)化的脈沖場(chǎng)合器件。晶閘管技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展部分依賴于現(xiàn)有功率半導(dǎo)體器件作為電子管技術(shù)的可行替代品可能接受的程度。

參考文獻(xiàn)
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