電源適配器功率器件和基礎(chǔ)電路

功率電源適配器半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展

  本節(jié)概述了各種功率電源適配器半導(dǎo)體器件與功率集成電路的現(xiàn)狀和較新發(fā)展動(dòng)向,從新結(jié)構(gòu)?新材料等方面展望了功率電源適配器半導(dǎo)體技術(shù)向著高頻?高溫?高壓?大功率及智能化?系統(tǒng)化方向發(fā)展。

電源適配器功率二極管

      電源適配器功率二極管是功率電源適配器半導(dǎo)體器件的重要分支?目前,商業(yè)化的功率二極管有PIN功率二極管和肖特基勢(shì)壘功率二極管(SBD)?前者有著耐高壓?大電流?低泄漏電流和低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn),但電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)在漂移區(qū)中產(chǎn)生的大量少數(shù)載流子和較低的關(guān)斷速度,限制了該器件向高頻化方向發(fā)展?

      具有多數(shù)載流子特性的肖特基勢(shì)壘電源適配器功率二極管有著極高的開(kāi)關(guān)頻率,但其串聯(lián)的漂移區(qū)電阻有著與器件耐壓成2.5次方的矛盾關(guān)系,阻礙了肖特基勢(shì)壘功率二極管的高壓大電流應(yīng)用,加之肖特基勢(shì)壘功率二極管極差的高溫持性?大的泄漏電流和軟擊穿特性,使得硅肖特基勢(shì)壘功率二極管通常只工作在200V以下的電壓范圍內(nèi)?

      為了獲取高壓?高頻功率二極管,研究人員正在兩個(gè)方向進(jìn)行探索:一是采用新材料研制肖特基勢(shì)壘功率二極管(包括SBD的改進(jìn)型器件,如JBS等);二是沿用成熟的硅基器件(超大規(guī)模集成電路)工藝,通過(guò)新理論?新結(jié)構(gòu)來(lái)改善高壓二極管中導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)頻率間的矛盾關(guān)系?

       砷化鎵(GaAs)肖特基勢(shì)壘功率二極管雖然已經(jīng)獲得大量應(yīng)用,但其1.42eV的禁帶寬度和僅1.5倍于硅材料的臨界擊穿電場(chǎng),使得GaAs肖特基勢(shì)壘電源適配器功率二極管也只能用在600V以下的電壓范圍內(nèi),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展需要?碳化硅(SiC)材料以其寬的禁帶寬度(2.2~3.2eV)?高的臨界擊穿電場(chǎng)(2×105~4×106V/cm)?快的飽和速度(2×107cm/s)?高的熱導(dǎo)率r(4.9W/cm2·K)?高硬度?強(qiáng)抗化學(xué)腐蝕性和可與Si相比的遷移率特性,以及其較為成熟的材料制備和制作工藝,使得SC材料成為目前發(fā)展較快的寬帶電源適配器半導(dǎo)體材料和功率電源適配器半導(dǎo)體器件的研究熱點(diǎn)?

        在由美國(guó)海軍資助的MURI項(xiàng)目中,普渡( Purdue)大學(xué)于1999年研制成功4900V的SiC肖特基勢(shì)壘功率二極管?

       2000年5月25日,美國(guó)CREE公司與日本關(guān)西電力公司( Kepco)聯(lián)合宣布了他們研制成功世界上第一只超過(guò)12kV的SiC二極管?這只耐壓高達(dá)12.3kV的二極管,正向壓降在電流密度為100A/cm2時(shí)僅為4.9V?在硅基功率二極管方面,結(jié)合PN結(jié)低導(dǎo)通損耗?優(yōu)良的阻斷特性和肖特基勢(shì)壘二極管高頻率特性兩者優(yōu)點(diǎn)于一體的JBS?MPS?TMBS?TMPS等新器件正逐漸走向成熟?此外,為開(kāi)發(fā)具有良好高頻特性和優(yōu)良導(dǎo)通特性的高壓快恢復(fù)二極管,許多通過(guò)控制正向?qū)〞r(shí)漂移區(qū)少數(shù)載流子濃度與分布的新結(jié)構(gòu),如SSD?SPEED?SFD?ESD?BJD等也不斷出現(xiàn)?

      美國(guó)國(guó)防大學(xué)工程中心電力電子系統(tǒng)中心(CPES)研究的MOS控制二極管( MOS Controlled diode-mcd),通過(guò)單片集成的MOSFET控制PIN二極管的注入效率,使MCD正向?qū)〞r(shí)既能有PIN二極管的大注入效應(yīng),在關(guān)斷時(shí)又處于低的甚至零過(guò)剩載流子存儲(chǔ)狀態(tài)全新的角度提出了改善電源適配器高壓二極管中導(dǎo)通損耗與電源適配器開(kāi)關(guān)頻率間矛盾關(guān)系的新方法。