超结VDMOS体二极管反向恢复鲁棒性研究及优化
发布时间：2020-05-27 15:22
【摘要】：超结垂直扩散金属氧化物半导体型场效应晶体管(Vertical-Diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,VDMOS)导通电阻低、开关速度快、耐压效率高,在以电动汽车充电桩为代表的电力电子领域具有非常广阔的应用前景。电动汽车充电桩中所采用的桥式逆变电路要求超结VDMOS器件具备非常高的体二极管反向恢复鲁棒性。国内外关于超结VDMOS体二极管反向恢复的研究主要是从电路层面改善反向恢复特性,对于改善超结VDMOS器件自身体二极管反向恢复鲁棒性的研究很少,因此研究并提高超结VDMOS体二极管反向恢复鲁棒性具有重大意义。本文根据超结VDMOS体二极管反向恢复基本理论搭建测试与仿真平台。实测结果显示反向恢复过程中的电流变化率di/dt是影响超结VDMOS体二极管反向恢复失效的主要因素,且超结VDMOS体二极管反向恢复失效位于终端区。仿真结果显示超结VDMOS体二极管反向恢复过程中元胞区抽取过剩载流子速率远远超过终端区,进而终端区出现电流尖峰,导致终端区表面电场升高并引发动态雪崩,且di/dt越大,动态雪崩越严重。本文提出了一种动态场限环终端结构,能够有效抑制体二极管反向恢复过程中的电场尖峰,进而抑制动态雪崩,在保证超结VDMOS器件其他参数性能的基础上,提高了其体二极管反向恢复的鲁棒性。本文所提出并设计的超结VDMOS动态场限环终端结构基于650V深沟槽刻蚀工艺进行流片,测试结果显示,超结VDMOS体二极管反向恢复极限di/dt能力从72A/μs提高到320A/μs,其体二极管反向恢复鲁棒性提高了3.2倍,达到设计指标要求。
【图文】：
Ｔ４ｈ邋２ｉＤ４Ｄ５２＾邋ｎＴｓ逡逑图１－１单项全桥三电平逆变电路拓扑图逡逑从图１－１中我们可以发现，ＣｆＱ是跨接在母线电压两端的两个分压电容。Ｄ９、Ｄ１Ｇ、Ｄｈ、Ｄ１２是两逡逑个桥臂上的钳位二极管，该二极管能够将Ｔ２、Ｔ３成功钳位在一个固定的电压值上，，即所谓的增加了输出逡逑电压的电平台阶，可以得到近似的正弦波。Ｉ、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、丁７和Ｔ８都是功率开关器件，每个逡逑功率器件两端都反向并联了一个二极管分别为Ｄｉ、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６、０７和Ｄ８。为了避免桥臂直通逡逑的现象出现，８个功率开关管只能交叉开启关闭，从而产生两种电流流向，共组成１８种工作模态。表１．１逡逑为单项全桥三电平逆变电路其中的９种工作模态（电流在负载电感中的不同流向为两种对偶情情形，只逡逑分析其中一种电流流向即可）。其中“１”表示功率开关管开启，“0”则代表功率开关管关闭。逡逑表１．１输出电压与功率开关管导通和关断之间的关系逡逑Ｔｉ逦Ｔ２逦Ｔ３逦Ｔ４逦Ｔ５逦Ｔ６逦Ｔ７逦Ｔ８逦输出逡逑１逦１逦０逦０逦１逦１逦０逦０逦Ｆｉｎ逡逑１逦１逦０逦０逦０逦１逦０逦０逦Ｋｉｘ／２逡逑０逦１逦０逦０逦１逦１逦０逦０逦Ｆｕ／２逡逑１逦１逦０逦０逦０逦０逦０逦０逦０逡逑０逦１逦０逦０逦０逦１逦０逦０逦０逡逑０逦０逦０逦０逦１逦１逦０逦０逦Ｑ逡逑０邋０邋１邋０邋０邋０邋１邋１邋＿＾逡逑０逦０逦１逦１逦０逦１逦０逦０逦－逡逑０邋Ｉ邋０邋Ｉ邋１邋Ｉ邋１邋Ｉ邋０邋Ｉ邋０邋丨邋１邋｜邋１邋｜邋＆逡逑图１－２是单项全桥三电平逆变电路的９种工作模态
稳态Ｐ向稳态Ｏ转变中的死区，稳态Ｏ向稳态Ｎ转变的死区Ｓｉ，稳态Ｎ向稳态０转变的逡逑死区Ｓ２，稳态０向稳态Ｐ转变的死区Ｑ２。下面将对每个模态进行电流分析。逡逑（１）稳态Ｐ—过渡态—稳态０：在Ｐ状态，４个超结ＶＤＭＯＳ器件的开启关断状态如图１４（ａ）所逡逑示，图中红色曲线箭头为电感电流路径，超结ＶＤＭＯＳ器件＾和！＾的体二极管导通续流；在Ｐ模态向０逡逑模态转换时，需要经历死区过程，如图ｌ＊４（ｂ）所示，乃关断，电流方向不发生改变，仍然是ＴＶ乃体逡逑二极管续流；当电路状态从切换到0模态时，Ｔ３导通，同时钳位二极管Ｄｍ也导通，电感电流经过Ｔ３、逡逑Ｄ１０回到分压（＾的负极，电路中电流发生换向，如图１－４（Ｃ）所示，电路状态从N献坏剑白刺保缏峰义现校裕病ⅲ裕场ⅲ模酰客钡纪ǎ豢悸浅幔郑模停希拥牡纪ㄑ菇担帷ⅲ狻ⅲ闳愕缥幌嗤捎谇欢苠义希模保靶鳎佣帷ⅲ狻ⅲ闳愕缥欢急谎杆倮偷搅愕缥唬馕蹲拍诵枰惺埽疲椋睿玻矗。薜奶宥芙义暇聪蚧指垂蹋聪蚧指吹缌鞔┕茫椤ⅲ模椤ⅲ裕病ⅲ裕场ⅲ模保ǎ缤迹保矗ǎ爸欣渡缌魉尽ｅ义希跺义
本文编号：2683729
【图文】：
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稳态Ｐ向稳态Ｏ转变中的死区，稳态Ｏ向稳态Ｎ转变的死区Ｓｉ，稳态Ｎ向稳态０转变的逡逑死区Ｓ２，稳态０向稳态Ｐ转变的死区Ｑ２。下面将对每个模态进行电流分析。逡逑（１）稳态Ｐ—过渡态—稳态０：在Ｐ状态，４个超结ＶＤＭＯＳ器件的开启关断状态如图１４（ａ）所逡逑示，图中红色曲线箭头为电感电流路径，超结ＶＤＭＯＳ器件＾和！＾的体二极管导通续流；在Ｐ模态向０逡逑模态转换时，需要经历死区过程，如图ｌ＊４（ｂ）所示，乃关断，电流方向不发生改变，仍然是ＴＶ乃体逡逑二极管续流；当电路状态从切换到0模态时，Ｔ３导通，同时钳位二极管Ｄｍ也导通，电感电流经过Ｔ３、逡逑Ｄ１０回到分压（＾的负极，电路中电流发生换向，如图１－４（Ｃ）所示，电路状态从N献坏剑白刺保缏峰义现校裕病ⅲ裕场ⅲ模酰客钡纪ǎ豢悸浅幔郑模停希拥牡纪ㄑ菇担帷ⅲ狻ⅲ闳愕缥幌嗤捎谇欢苠义希模保靶鳎佣帷ⅲ狻ⅲ闳愕缥欢急谎杆倮偷搅愕缥唬馕蹲拍诵枰惺埽疲椋睿玻矗。薜奶宥芙义暇聪蚧指垂蹋聪蚧指吹缌鞔┕茫椤ⅲ模椤ⅲ裕病ⅲ裕场ⅲ模保ǎ缤迹保矗ǎ爸欣渡缌魉尽ｅ义希跺义
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