半超结JBS反向恢复软度特性研究

为提高常见开关器件JBS二极管的软度特性,减小其自身电压尖峰、射频干扰和电磁干扰的发生,对JBS器件P^(+)区结深进行优化调整,利用Silvaco软件对器件关断过程、反向恢复等影响进行仿真研究。在仿真中构建半超结JBS二极管结构模型,利用器件-电路混合仿真调用此结构模型并改变P^(+)区结深参数,得到不同P^(+)区结深的反向恢复特性曲线,并以此为依据分析半超结JBS二极管中P^(+)区结深对反向恢复软度特性的影响。通过仿真研究,以半超结JBS二极管有效缓解传统JBS反向恢复时间长和超级结JBS二极管反向恢复硬度大的矛盾。

脉冲功率晶闸管反向恢复特性

为建立有效的晶闸管模型来仿真晶闸管关断时过电压,减小晶闸管过压损坏的概率,以最大通流150kA、耐压5.2kV的脉冲晶闸管为研究对象,将其前置于脉冲形成单元回路中作为大功率开关使用,记录放电过程中晶闸管两端电压及电流。实验数据表明：恢复过程中的电流下降率、反向恢复电荷、反向恢复电流峰值随通态电流峰值的增大而增大,晶闸管关断时间随通态电流峰值的增大而减小。此外,在关断过程中,当电流下降率在-50-1000A/μs时,电流下降率与电流峰值为线性关系。因此,在大脉冲电流条件下,推导反向恢复过程参数与通态电流参数的关系时电流下降率可用与电流峰值的线性关系代替。基于Matlab仿真平台,建立了具有反向恢复过程的脉冲晶闸管模型。该模型仿真得到的晶闸管反向恢复电流峰值与实测结果较为吻合,反向恢复电压尚待进一步修正。

快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究

在国内外电力电子领域对功率二极管模型研究成果的基础上,利用计算机仿真技术,从数学物理模型和电路模型两方面,对快速功率二极管的反向恢复特性进行了较深入的研究,获得了可正确描述正反向恢复过程的功率二极管仿真模型。该模型克服了标准二极管模型完全忽视正向恢复效应,对二极管反向恢复现象的模拟也会产生错误振荡的缺陷,因此具有较好的现实意义。

一种新型SiC SBD的高温反向恢复特性

与传统硅基功率二极管相比,碳化硅肖特基势垒二极管(SiC SBD)可提高开关频率并大幅减小开关损耗,同时有更高的耐压范围。设计并制作了具有场限环结终端和Ti肖特基接触的1.2 kV/30 A SiC SBD器件,研究了该SiC SBD在100~300℃时的反向恢复特性。实验结果表明,温度每上升100℃,SiC SBD反向电压峰值增幅为5%左右,而反向恢复电流与反向恢复时间受温度影响不大;温度每升高50℃,反向恢复损耗功率峰值降低5%。实验结果表明该SiC SBD在高温下能够稳定工作,且具有良好的反向恢复特性,适用于卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测等需要大功率、耐高温和高速器件的领域。

功率二极管反向恢复特性的建模

功率二极管的反向恢复电流增加了与其互补导通的开关管的开通损耗,使电力电子电路的损耗模型复杂化。传统的功率二极管反向恢复特性模型基于物理机制而建立,不能直观地从电路参数反映其特性和规律。该文提出采用曲面拟合和数据映射的方法,研究反向恢复特性中关断前正向电流IF、分布电感Ls与反向恢复电流尖峰值IRP、正向衰减时间tI、反向恢复时间t（II）之间的关系。以一个Boost电路为平台获得不同的[IF,Ls]的测试波形数据,通过小波去噪和Matlab的数据处理功能提取[IF,IRP tI,tII],再对正向电流衰减波形和反向电流恢复波形做归一化处理,然后用多项式拟合的方法训练得到[IF,Ls,IRP tI,tII]的多种组合三维曲面,得到的模型用测试组比较,最大MAPE为3.38%,最后利用预测参数[IF,IRP tI,tII]对归一化波形进行逆向映射,得到的预测曲线逼近实测曲线。揭示了IRP随IF的增大而增大,随着Ls的增大而减小;tI随IF的增大而增大,随着Ls的增大而增大;tII与IF、Ls的非线性关系。

传统MOSFET和超结MOSFET的体二级管反向恢复特性评估

在许多高电压开关应用当中,都需要采用具有良好特性的体二极管且耐用性强的MOSFET。依照超结(SJ)电荷平衡概念所设计的器件,由于有着比普通MOSFET低得多的Rdson而得到普及。然而,普通sJ器件的一个缺点就是它的体二极管的反向恢复特性较差。早期的sJ器件有着较大的反向恢复电流,并且在某些反向恢复的情况下易于失效。尽管后来它的体二极管特性有了一定改善,但还是不能像传统MOSFET的体二极管那样耐用。我们示出即使施加缓和上升的di/dt,普通SJ器件的体二极管也还会失效。飞兆(Fairchild)公司利用二维数字仿真在电路和器件混合建模的条件来分析反向恢复瞬态期间在器件的内部发生了什么。这帮助我们理解失效背后的原因,并且设计出了耐用性更强的SuperFETTMSJ器件。反向恢复测量表明,普通SJ器件的体二极管在di/dt仅为100A/μs的时候就会失效,而SuperFETTM器件几乎是不会破坏的,它在di/dt为1000A/μs时仍能工作。飞兆(Fairchild)公司还设计出了带有快速恢复体二极管的、耐用的SuperFETTM器件,具有较低的Trr和Qrr。

PiN二极管反向恢复机理研究

本文对PiN二极管反向恢复过程进行了分步分析，推导出了反向恢复过程中四个阶段的时间计算公式，并在一定简化近似的基础上得出了反向恢复时间的计算公式，利用该公式分析了影响反向恢复特性的主要因素及实现快速软恢复的条件。

PiN二极管反向恢复机理研究

对PiN二极管反向恢复过程进行了分步分析，推导出了反向恢复过程中四个阶段的时间计算公式，并在一定简化近似的基础上得出了反向恢复时间的计算公式，利用该公式分析了影响反向恢复特性的主要因素及实现快速软恢复的条件。

低米勒电容超结MOSFET开关过程及反向恢复性能仿真研究

针对超结场效应晶体管(SJ-MOSFET),利用工艺仿真建立多次外延离子注入和深槽刻蚀2种不同P柱形貌的器件结构,对比研究了不同工艺、不同栅极结构SJ-MOS的静态特性差异,并与实测数据对比,验证建立模型的正确性。从空间电荷区不均匀拓展的角度,分析不同工艺路线器件的C-V特性测试中"电容转折"现象的微观机理。研究了感性负载下SJ-MOSFET开关过程中栅极电压、漏极电流、漏源极电压随时间变化关系,并搭建寄生体二极管反向恢复测试平台,探究了不同工艺对于反向恢复电荷、峰值电流等参数的影响。研究内容可指导器件设计,提高功率半导体器件在机车应用场景中的匹配度。

具有沟槽氧化物和P-屏蔽层的4H-SiC MPS的设计与仿真

利用TCAD仿真研究了一种具有沟槽氧化物和P-屏蔽层结构的新型4H-SiC TP-MPS二极管。通过在传统MPS中引入沟槽氧化物和P-屏蔽层,能够有效地抑制器件的迅回效应和改善其反向恢复特性。分别仿真了漂移区掺杂浓度、P-区深度及SiO2厚度等关键参数对迅回效应和反向恢复特性的影响。研究结果表明:增加金属功函数、P-区厚度和SiO2厚度,以及减小漂移区掺杂浓度,均可以有效抑制MPS二极管的迅回效应;而增加SiO2厚度、减小P-区厚度和漂移区掺杂浓度均可以改善其反向恢复特性。对比传统MPS结构,TP-MPS结构在SiO2厚度为2.5μm、P-区厚度为2μm、漂移区掺杂浓度为4×10^(15)cm^(-3)的条件下,转折电压降低了34.8%,反向恢复峰值电流降低了23.5%,反向恢复软度因子增加了80%。TP-MPS二极管对迅回效应有明显抑制作用,并且其反向恢复特性得到改善。

快速恢复外延二极管和Sic肖特基二极管

介绍了快恢复二极管（FRD）的反向恢复性,讨论了 F R D 的硬特性与软特性.分析了快恢复外延二极管（FRED）工艺改进对二极管特性的影响.并介绍了 S iC 肖特基二极管的特点及目前达到的技术指标.

MPS二极管特性折衷的研究

在开关电源或逆变电路中,快速软恢复二极管得到大量的使用。传统的PIN二极管存在着大反向恢复峰值电流和硬恢复特性的问题,因此具有低阳极注入的二极管结构被提出,例如PN结和肖特基接触相结合的混合PIN肖特基二极管MPS。以1200V MPS二极管为例,对其正向导通特性、反向阻断特性和反向恢复特性进行了研究。通过对MPS二极管的元胞面积和肖特基区面积的优化,实现了MPS二极管的正向导通电压和反向恢复存储电荷良好的折衷,与肖特基二极管相比,MPS二极管兼有较小的反向漏电流。通过对MPS二极管结构参数进行优化,使其具有更好的快速软恢复特性。

超级结JBS二极管特性的仿真分析

为实现反向阻断特性和正向导通压降的折衷优化、提高单极型二极管功率,通过增加结型势垒控制肖特基二极管P柱区域结深,在JBS二极管中引入超级结结构。以300V耐压超级结JBS二极管为例分析其工作原理并建立模型,使用Silvaco软件对其反向阻断特性、正向导通特性、反向恢复特性进行仿真。通过仿真得出的反向阻断特性分析超级结结构对二极管器件中二维电场分布的影响,并结合仿真,阐述JBS二极管的结构及工作特色,论证其相比于肖特基二极管、JBS二极管的优势所在,为新型功率二极管的设计提供参考思路。

基于TCAD技术的碳化硅槽栅MOSFET器件设计

针对碳化硅槽栅MOSFET器件内部寄生二极管的反向恢复特性差的问题,设计了碳化硅槽栅MOSFET器件新结构,通过在碳化硅槽栅MOSFET器件元胞内部集成多晶硅/碳化硅异质结二极管,在不使器件的其他电学特性退化的基础上,改善器件的反向恢复特性。基于TCAD工具——ATLAS二维的半导体工艺与器件仿真软件,对碳化硅槽栅MOSFET器件的I-V特性、击穿特性以及反向恢复特性进行了研究。研究结果表明,与常规的碳化硅槽栅MOSFET器件相比,新结构的反向恢复特性明显改善,反向恢复时间减小了48.8%,反向恢复电荷减小了94.1%,反向峰值电流减小了82.4%。

1000V 4H-SiC JBS功率二极管元胞

主要介绍了4H-SiC结势垒肖特基(JBS)功率二极管元胞的设计、仿真和制造,得到了JBS器件有源区相间的p+型岛的宽度和间距等关键参数与器件电学特性的关系,比较了JBS功率二极管与肖特基二极管(SBD)的正向特性和反向漏电流特性。在较大的正向电压下,JBS功率二极管的p型岛的空穴电流可以穿过p型接触区发生空穴注入。与SBD相比,JBS功率二极管能有效降低反向漏电流,提高器件的击穿电压,并减少了对工艺控制精确性的要求。二维器件数值仿真分析和工艺实验结果表明,4H-SiC JBS功率二极管具有1.3 V的正向电压和1 kV的击穿电压。

具有可控基区底面空穴注入的新型二极管结构

本文提出了一种3.3kV可控基区底面空穴注入的新型二极管结构,简称CIBH(ControlledInjectionofBacksideHoles)二极管。新二极管结构的特点是在阴极侧埋入浮置p层。这些p掺杂区在nn+结形成强电场,避免在nn+结产生雪崩。与无p层相同结构的二极管相比,CIBH二极管显著改善了动态皮实性以及小电流密度下的软反向恢复特性。仿真和首次试制结果显示这一新二极管概念是可以实现的。

一种基于4H-SiC JBS二极管的Boost型PFC电路

传统Si基快恢复二极管(FRD)在应用时由于反向恢复电流大、漏电流高等问题限制了电力电子电路的性能提升。基于此,提出了一种4H-SiC结势垒肖特基(JBS)二极管在功率因数校正(PFC)电路中的应用方案。首先测试比较了制备的4H-SiC JBS和Si FRD的关键电学参数,指出反向恢复特性是影响器件损耗的关键;然后介绍了PFC电路的拓扑结构以及二极管的损耗分析方法;最后分别基于4H-SiC JBS二极管和Si FRD搭建了1000 W Boost PFC样机,电路开关频率为50 kHz。结果表明:当输出功率为1000 W时,相比于传统的Si FRD,使用4H-SiC JBS二极管的整机效率由97%提升至98.13%;当输出功率从400 W增至1000 W时,Si FRD的工作温度从36.2℃上升至96.6℃,而4H-SiC JBS二极管的温度仅从27.8℃上升至47.8℃。使用4H-SiC JBS二极管可以降低PFC电路的开关损耗和散热要求,有助于提高电路整体性能。