一种用于逆变模块的快恢复二极管设计

发布时间：2020-01-25 06:43

【摘要】：随着电力电子系统不断发展,逆变模块的重要性日益剧增,其作用为将直流电转化为交流电。在逆变模块中,需要快恢复二极管与开关管并联,以传导续流电流。本文旨在设计一款用于逆变模块的高性能高压快恢复二极管。本文首先介绍了快恢复二极管在逆变模块中的作用,同时分析了它与开关管之间相互影响的关系。紧接着介绍了快恢复二极管的各项静动态性能参数,分析了其正向导通压降和反向恢复特性之间的矛盾折中关系,并指出优化这一折中关系的关键在于正向导通时的基区载流子分布。之后,本文介绍了优化载流子分布的各项技术。在此基础上,提出并设计了本文中的带有金属槽结构的具有阶梯掺杂浓度的快恢复二极管。本文在基于国内半导体制造平台基本工艺条件的基础上,设计出了适用于本文所述快恢复二极管的工艺流程。在该工艺流程的基础上,通过各项工艺参数和结构参数的优化,完成了快恢复二极管元胞设计与终端设计,并完成了版图设计。本文所设计的快恢复二极管元胞反向击穿电压1437V,电流能力100A,正向导通压降1.61V@200A/cm2。反向恢复峰值电流IRRM比传统快恢复二极管低60%以上,反向恢复电荷QRR和反向恢复损耗EOFF低于传统快恢复二极管,具有良好的正向导通压降和反向恢复特性折中关系,不易发生动态雪崩,满足设计要求。
【图文】：

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调、电动砂轮、电动工具、电动汽车充电桩、光伏发电并网、太阳能发电并网等领域中发挥重要作用。典型的电压源逆变器如图1-1所示[1]，逆变模块中主要的功率器件除以IGBT、IGCT 等为主的大功率开关器件外，还包括与上述开关器件并联的大功率快恢复二极管器件。电压源逆变器的交流终端必定要驱动感性负载，所以为了避免电压尖峰，当器件关断电流时，需要快恢复二极管作为续流通道。通过快恢复二极管的并联，主开关器件的充电时间得以减少，主开关器件因负载电流瞬间变向而感应产生的峰值电压亦得到降低。[2]图 1-1 电压源逆变器示意图具体来说，以全桥逆变器为例，其结构示意图如图 1-2 所示，其中 S1～S4为 IGBT 开关管

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逆变模块整体发热增加。复二极管反向恢复电流过大，会导致开关管额外承受过大的电流而可时，叠加过大的开通电流，会使得开关管的开通损耗增加，最终会导整体的开关损耗增加。过长的反向恢复时间会影响逆变模块的整体频例子可以看出，逆变模块中的快恢复二极管性能会极大地影响与其并的工作状态，最终会对逆变模块整体造成极大的影响。率半导体器件的不断发展，逆变模块的频率与功率不断提高，因此对管提出了更高的要求。理想的逆变模块具有如下的性质：损耗为零，即具有极高的输入阻抗，以使驱动电流为零，同时其驱路应尽量结构简单成本低廉。、关态损耗为零，即开通时其正向导通压降为零，关断时反向击穿无限大且泄漏电流为零。如图 1-3(a)所示。过程损耗为零，，即开通损耗和关断损耗为零，具体地指开通时间和时间为零。如图 1-3(b)所示。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN31

【参考文献】