Быстрые силовые диоды для новых поколений IGBT

Андрей Колпаков

Cерия диодов, получившая название CAL (Controlled Axial Lifetime), с «мягкой» характеристикой восстановления, низким значением потерь проводимости и переключения была разработана компанией SEMIKRON специально для применения совместно с кристаллами IGBT. Технология CAL позволяет изменять время жизни носителей и оптимизировать основные статические и динамические характеристики элементов. Разработка оказалась очень удачной, в результате чего диоды данного типа используют в модулях IGBT многие известные фирмы, в частности EUPEC и Mitsubishi.

При разработке СAL-диодов особое внимание уделялось оптимизации соотношения таких параметров, как прямое падение напряжения V_F, заряд обратного восстановления Q_RR и характеристика обратного восстановления dI_rrdt, поскольку они оказывают решающее влияние на уровень потерь и значение электромагнитных помех, создаваемых в процессе коммутации ключей.

Указанные параметры должны иметь высокую стабильность во всем диапазоне рабочих токов и температур. Кроме того, от антипараллельного диода требуется надежная работа в динамических режимах, наиболее напряженным из которых является режим короткого замыкания. Чипы IGBT и диодов должны выдерживать высокие значения di/dt, возникающие при переключении, а динамические потери, создаваемые токами обратного восстановления, не должны приводить к значительному увеличению рассеиваемой мощности. Применение технологии CAL во многом помогает решить данные проблемы.

Диоды в версии CAL HD (Controlled Axial Lifetime — High Density) производят для использования в силовых модулях, производимых по Trench-технологии, обеспечивающей сверхнизкие потери проводимости. Разработка данного типа компонентов преследовала две основных задачи: дальнейшее увеличение допустимой плотности тока кристалла и улучшение характеристик проводимости при совместной работе с низкочастотными кристаллами Trench IGBT.

При производстве чипов CAL и CAL HD, структура которых показана на рис. 1, используются технологические приемы, позволяющие оптимизировать время жизни и процесс рассасывания носителей в зоне p-n-перехода. Эти компоненты отличаются глубокой зоной n⁺ диффузии, наличием примесного защитного слоя p⁺ для повышения напряжения пробоя и слоя n⁺ — ограничителя канала. Концентрические защитные кольца на поверхности кристалла не связаны между собой электрически, но они способствуют лучшему распределению поля в базе, что необходимо для снижения потерь проводимости. Неметаллизированная поверхность диода покрыта пассивирующим слоем. В зависимости от условий эксплуатации пассивация выполняется с помощью полимеров или стекла.

Время жизни носителей регулируется так называемым центром рекомбинации, индуцированным за счет облучения электронами высокой энергии
и в процессе ионной имплантации (Не²⁺-ion). В результате образуется примесная область, состоящая из однородных компонентов в области базы и примесная область в зоне р-п-перехода. Для стабилизации плотности примеси используют процесс отжига при температуре 300 °С, подобная технология позволяет получить низкий ток обратного восстановления и обеспечить его плавный характер.

Высокая плотность мощности — ключевое требование для энергоемких малогабаритных преобразователей, примером которых является привод транспортного средства с гибридной силовой установкой. Реализуют это требование две «рабочих лошадки» силовой электроники: ЮБТ и их антипараллельные диоды. Характеристики силовых ключей во многом зависят не только от собственных параметров этих компонентов, но и от степени их согласованности.

Какой бы ни была область применения — привод либо преобразователь для солнечной или ветряной энергетической станции, тенденция повышения плотности мощности силовых чипов при сохранении их размеров остается главным фактором силовой электроники. Использование модулей, имеющих больший рабочий ток при меньших размерах, позволяет снижать габариты конверторов, упрощает процесс проектирования и, что наиболее важно, способствует снижению стоимости изделия.

Для выполнения указанных требований разработчики силовых полупроводников должны повышать допустимую токовую нагрузку на единицу площади кристалла. Основным фактором, ограничивающим плотность тока чипа, является так называемый эффект саморазогрева. В рамках действующих технологий возможности борьбы с этой проблемой практически исчерпаны: рассеяние мощности при работе ЮБТ и диодов приводит к перегреву кристаллов. Поскольку возможности отвода тепла не беспредельны, разогревается и вся электронная схема в целом. Перегрев силовых ключей приводит к сокращению срока их службы, поэтому большие усилия и средства тратятся на повышение эффективности и стоимости систем охлаждения. С точки зрения экономики увеличение токовой отдачи чипов без снижения уровня потерь нецелесообразно, так как повышение расходов на охлаждение делает эти усилия неэффективными. Компания SEMIKRON,
один из крупнейших европейских производителей быстрых диодов, концентрирует свои усилия на решении проблемы повышения технической и экономической эффективности свой продукции.

Как уже было сказано, основной ограничивающий фактор повышения тока чипа — это его перегрев. Увеличение плотности тока за счет превышения тепловых режимов неизбежно ведет к сокращению срока службы компонента. Один из путей преодоления проблемы — снижение уровня потерь проводимости и переключения. Решение данной задачи затруднено из-за невозможности независимой оптимизации статических и динамических характеристик диода, например, уменьшение прямого падения напряжения V_F приводит к росту энергии потерь обратного восстановления E_nn и наоборот. Соотношение между этими характеристиками для кристаллов CAL показано на рис. 2.

Без кардинального изменения технологий невозможно снизить уровень потерь и, соответственно, температуру перегрева. Необходимо также отметить, что существует еще одно ограничение, сдерживающее рост плотности тока. Оно связано с требованием обеспечения минимального значения перенапряжения при коммутации и низкого уровня генерируемых электромагнитных помех (EMI). Высококачественный антипараллельный диод отличается хорошим балансом указанных свойств, только в этом случае имеют смысл временные и финансовые затраты, направленные на повышение плотности тока за счет снижения уровня потерь.

Еще одно возможное решение проблемы — применение технологий, обеспечивающих работу чипов при повышенной температуре без ухудшения показателей надежности. В рамках используемых сегодня производственных процессов надежная работа большинства силовых ключей гарантируется при температуре до 125 °С в номинальном режиме и 150 °С при кратковременной перегрузке. Если удастся расширить эти рамки хотя бы на 25 °С (150 °С в номинальном режиме и 175 °С в перегрузочном), это будет означать увеличение плотности тока диодов на 20-30%.

Главная проблема в последнем случае — это обеспечение долговременной стабильности параметров, что особенно важно для преобразователей, эксплуатационный ресурс которых превышает 8 лет. Однако такое решение довольно привлекательно, так как увеличение рабочей температуры не требует, в свою очередь, изменения основных свойств диодов. Повышенная плотность тока, высокая надежность и расширенный температурный диапазон при хорошем балансе технических характеристик — вот основные преимущества диодов нового семейства СЛЬ4 от вЕМЖРОЫ. Улучшение технических характеристик, достигнутое благодаря оптимизации СЛЬ-техно-логии, наглядно демонстрирует аппроксимированная красная кривая на рис. 2.

Перегрев губительнее всего влияет на материал пассивации диодных чипов, в качестве которого обычно используются различные виды полимеров и композитное стекло. Пассивирующий слой обеспечивает изолирующие свойства кристаллов, соответственно для низковольтных ключей он рассчитан на напряжение 600, 1200 или 1700 В. Стандартный способ пассивации гарантирует высокую временную стабильность параметров при температуре до 150 °С, перегрев негативно влияет на изоляционные свойства стекла, приводит к резкому росту токов утечки и ускоряет процесс деградации изолятора. Для решения проблемы специалисты 8ЕМ1КРОЫ разработали новую концепцию пассивации, названную «кольцевым полем» и основанную на применении комбинации оксидного и полимерного слоев для защиты всей структуры диода. Ускоренные испытания подтвердили высокую температурную стабильность и надежность этой технологии. Измерения, проводимые в течение 1000 часов при номинальном рабочем напряжении и температуре 175 °С, продемонстрировали высокие изоляционные свойства чипов СЛЬ4 и подтвердили эффективность внедрения нового метода пассивации. Как показано на рис. 3, в течение всего времени испытаний не было выявлено роста обратного тока чипов.

Таким образом, путем внедрения технических инноваций была выполнена задача расширения температурного диапазона на 25 °С. При этом показатели надежности остались на прежнем уровне, а также сохранен оптимальный баланс между величиной потерь, стойкостью к внешним воздействиям и уровнем электромагнитных помех.

Какой же конкретно выигрыш по мощности можно получить, используя диоды при повышенной температуре? Моделирование и расчеты показывают, что, в зависимости от схемы, при стандартных условиях эксплуатации увеличение температуры чипов до 175 °С эквивалентно прибавке тока нагрузки на 20-30%. Это означает также, что при том же токе нагрузки размер кристаллов может быть снижен на 20-30%, а освободившееся при этом место на подложке позволяет улучшить трассировку или размещать дополнительные чипы. При совместном использовании ЮБТ и диодов последних поколений появляется возможность значительного снижения габаритов силовых модулей.

Эволюция размеров силовых чипов, обусловленная развитием технологий в течение последних 10 лет, наглядно продемонстрирована на рис. 4. Особенно ярко данная тенденция выражена для ЮБТ, что же касается диодов, то существенное сокращение площади их кристаллов связано с появлением семейства СЛ1А Однако, как показано на графиках, процесс постепенно замедляется, поскольку повышение плотности тока ограничено возможностями систем отвода тепла.

Экономическая эффективность от применения диодов 4-го поколения обусловлена возможностью увеличения тока без повышения эффективности системы охлаждения. Необходимо отметить, что массо-габаритные показатели и плотность мощности преобразователей в рамках существующих технологий практически доведены до физических пределов. Для таких энергонасыщенных применений, как транспортные приводы, минимизация габаритов — одно из ключевых требований. Возможность использования миниатюрного привода, способного работать при повышенной температуре, позволяет размещать его в ограниченном объеме с тяжелыми условиями эксплуатации. Это может быть, например, подкапотное пространство гибридомобиля, где температура достигает 105 °С и возможности отвода тепла крайне ограничены. В таких условиях надежно могут работать только силовые модули с расширенным температурным диапазоном.

Попробуем представить себе, каким будет следующее поколение быстрых диодов для IGBT-модулей. Будут ли это кремниевые чипы с повышенной плотностью тока или классический Si все-таки уступит место карбиду кремния SiC? По нашему мнению, возможности традиционных технологий еще не исчерпаны: существуют способы совершенствования их параметров и снижения суммарных потерь. Кроме того, новый способ пассивации, описанный в статье, позволяет повысить предельную температуру кристаллов до 175 °C. Температурный диапазон вполне возможно расширить и до 200 °C, что позволит обеспечить очередной прирост плотности тока. А что будет дальше — покажет будущее.

Литература

1. Колпаков А. Trench 4 — руководство по эксплуатации // Силовая электроника. 2008. № 2.
2. Колпаков А. CAL диоды SEMIKRON для новых полений IGBT // Электронные компоненты. 2005. № 2.
3. Demuth V. More Power at the same size // Power Electronics Europe, July/August 2008.
4. Demuth V., Haupl K., Konig B., Wintrich A. High performance CAL HD diodes for 1700V Trench and SPT IGBTs. Semikron Elektronik GmbH, 2005.