MPS二极管“软恢复”的原理探讨、仿真设计与研制实践

论文摘要

在电力电子、开关电源电路以及各种电机驱动电路中,越来越高的工作频率将大幅度降低其中的被动元件（电感和电容）的体积及其上面的功率损耗,但对电路中使用的大功率开关二极管提出了更短的反向恢复时间、更低的开关损耗的要求。目前,这些电路中应用最多的仍然是PIN结构的快恢复和超快恢复二极管。但普通的PIN二极管不具备反向软恢复特性,反向恢复过程中会出现大的反向峰值恢复电流和反向峰值电压,使变换电路的损耗和电磁干扰（EMI）增大,同时对二极管以及主开关器件的稳定工作造成了威胁。选用具有软恢复特性的快恢复二极管能显著降低这些不利影响。本文通过对PIN高反压快恢复二极管在作为续流二极管（Freewheeling Diode（FWD））应用时,其反向恢复过程中漂移区中载流子变化过程的分析,指出获得软恢复特性,软恢复因子较大的快恢复二极管的关键在于控制正向导通时存储在P iN二极管漂移区中的超量载流子的分布状态。如果能获得靠近P+N结处分布的载流子浓度低,而靠近N+N结处的浓度高的“倒梯形”分布,将会获得更大的软恢复因子、更软的恢复特性。综合了PIN二极管和肖特基二极管优点的PIN/肖特基混合二极管---MPS（ Merged PIN/Schockey）二极管具有更快、更“软”的反向恢复特性,能满足现代电力电子技术的要求。本文叙述了MPS二极管的基本原理以及其具有反向软恢复特性的原因,讨论了MPS二极管结构设计与工艺制造中的问题,通过计算机软件进行器件结构和性能仿真和研制实践论证了反向恢复时间、正向压降以及反向击穿电压与MPS结构参数之间的关系,提出了此种器件的设计原则,并采用该结构研制了反压达到400V,正向电流达到10A,反向恢复时间小于50ns,软恢复因子达到1.2的软恢复二极管。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 电源变换电路中的快恢复二极管的发展趋势
• 1.2 软恢复二极管的国内外产品技术水平现状
• 第二章 PIN 二极管的反向软恢复过程描述及分析
• 2.1 反向软恢复波形及参数定义
• 2.2 反向恢复过程及PIN 二极管的内部状态描述
• 2.2.1 反向恢复过程的分析模型构建及时间段划分
• 2.2.2 反向恢复过程各时段的分析
• 2.2.3 反向恢复过程分析小结
• 第三章 软恢复特性的意义及实现途径
• 3.1 软恢复特性的意义
• 3.2 实现PIN 二极管反向软恢复性能的结构和工艺
• 3.2.1 缩短反向恢复时间的结构和工艺
• 3.2.2 增大软恢复因子的结构和工艺
• 第四章 MPS 二极管结构、原理及反向恢复过程仿真
• 4.1 MPS 结构的反向阻断原理
• 4.2 MPS 结构的正向导通原理
• 4.3 MPS 结构二极管反向恢复过程
• 4.4 MPS 结构快恢复二极管的比较优势
• 4.5 MPS 二极管与PIN 二极管反向恢复特性的仿真对比
• 第五章 MPS 二极管的关键结构参数设计及计算机仿真
• 5.1 SILVACO-TCAD 软件简介
• 5.2 仿真所用二极管的结构参数
• 5.3 肖特基区域面积比例设计
• 5.4 MPS 二极管元胞尺寸的设计
• 5.5 扩散结深度及肖特基势垒金属的选择
• 5.6 MPS 二极管设计流程和原则小结
• 第六章 实际研制的MPS 二极管的结构及参数实测数据
• 6.1 实际产品的参数指标
• 6.2 实际产品的结构设计和研制工艺
• 6.3 实际产品的参数实测水平
• 第七章 总结与展望
• 7.1 软恢复二极管设计与工艺改进方向
• 7.2 器件和工艺仿真软件在器件研发中的应用前景
• 致谢
• 参考文献