1 引言

    2008年，第4代1200V的CAL（Controlled Axial Lifetime）续流二极管在一些先进应用领域，如马达控制系统和功率逆变单元等，实现了成功应用。与前一代二极管相比，CAL4二极管芯片每单位面积的电流提高了30%以上，电流密度的提高意味着有效电流的增加，这就给功率模块的设计留出了更多空间。为了满足更广泛领域对于高功率密度的需求，先进的CAL4技术被扩展到了650V和1700V等级。

    在所有电压等级上都已经采用了的、创新的终端结构，提供了175°C条件下的高稳定性和高可靠性。此外，增强型第4代CAL650V和1700V二极管，同样也包含1200V，提供了抵御环境影响，如高湿和高温时极高的稳定性，这就满足了现代功率电子在严酷气候条件下，高可靠性工作的日益提高的要求。新一代二极管显示了正温度系数的通态特性（这对于二极管并联十分重要）和反向恢复过程的软开关特性。这些突出性能使新一代二极管特别适用于在一些最尖端领域使用的功率模块（例如：SKiiP4、MiniSkiiP、SEMiX、SkiM、SEMiTRANS等），这些领域有风能发电和太阳能发电装置、电动汽车功率系统、以及功率逆变单元等。

2 增强型第4代CAL二极管

    半导体市场上在介绍一个新型IGBT的同时，也需要有CAL二极管的新介绍。几种额定电流为I_F=150A的第4代CAL二极管的主要静态电性能和机械性能数据见表1。

    CAL4 F二极管的低通态压降保证了尽可能低的静态和动态损耗，并使650V新型IGBT能够在一个较宽的频率范围（3kHz~16kHz）内有效的关断。

    为了针对不同的IGBT特性调整适合的静态和动态损耗，第4代CAL 1200V二极管派生出了2个新系列。CAL4F（F：fast）1200V是专为第4代低功率沟槽场终端IGBT而设计的，工作频率8kHz以上。而CAL4 HD（HD：high density）1200V二极管则是为中功率IGBT、工作频率8kHz以下优化设计的。这2个型号将在随后详细讨论。

 表 1  CAL4 F (650V, 1200V, 1700V) 和 CAL4 HD (1200V)二极管的主要静态电性能和机械性能数据

    与CAL4 F 650V类似，CAL4 F 1700V的通态压降也是专为各种不同开关频率的模块所设计，最高结温T_jmax=175°C，存储温度（-40°C~175°C）对所有阻断电压等级都一样。一些技术要点将在接下来的章节中讨论。

2.1  新型二极管芯片技术与可靠性

    CAL二极管是一种平面PIN器件，具有高掺杂的p⁺发射极、轻掺杂的n^－基区、以及两阶梯n^＋阴极区。高掺杂的n^＋区、阴极金属化的欧姆接触、以及n^－基区宽度与阴极浓度分布的优化都导致通态电压的降低。

    轴向载流子寿命用电子辐照加He^＋＋离子辐照^[1]控制，这种寿命控制方法不但在二极管的体内创建了通体均匀的复合中心区，更重要的是，还在p／n结的附近创建了高浓度的复合中心区。

    在前几代的二极管中，钝化层由玻璃沉积形成，限制了最高结温只能到150°C。由于这个原因，Semikron提出了一种由高稳定的氧化层和多晶层组成的钝化结构（见图1），其中的多晶层使结的终端免受环境的影响，如气氛及污染。P^＋掺杂保护环与金属场板、以及氧化／多晶钝化层的结合保证了终端结构允许高的结温。这种终端结构已经证明在T_jmax=175°C下具有高的热稳定性和可靠性。

    为了证实热稳定性而进行了加速可靠性试验。这种高温反偏（HTRB）试验使二极管处于最高结温T_jmax=175°C及95％的稳态阻断电压下，试验周期1000小时。

   [page]通过完整的HTRB试验，CAL4 F 1700V、CAL4 F 1200V、和CAL4 F 650V二极管的漏电流全都显示在稳定的水平，从而证明这种钝化设计具有非常好的高温特性。HTR试验后，二极管的阻断电流仍然很低，并且，尽管经受了长时间的试验，该阻断电流并没有明显的上升。

        图1 CAL 4F二极管横截面，标示了场环、单场板及双场板结构。钝化层由氧化层和多晶层组成。

    越来越多的功率电子装置被安装在恶劣环境中而没有任何的外部保护。增强型第4代CAL二极管通过多晶钝化层／氧化层设计，并与新近研发出来的双场环设计相结合（如图1所示），可以应用在恶劣条件中。这种新的结终端设计的优点已经应用于650V和1700V新电压等级，也包括已有的1200V续流二极管。

    用于抵御环境影响（如高湿度和温度）的新终端设计的可靠性已经通过试验验证，试验时间1000小时，温度85°C，高湿度（85% r.H.），非常高的反偏电压（80%阻断电压）。在上述试验条件（85% r.H.／85°C／80%的V_RM）下进行试验期间检测的漏电流数据显示，整个试验期间漏电流保持稳定。

2.2  新型CAL4 F 1700V二极管

    对于续流二极管主要的要求是低的静态损耗和低的动态损耗，二者与二极管的安全并联密切关联。为了得到所期望的低的静态损耗，低的正向通态压降是必须的。然而，正向通态压降的降低又会引起动态损耗的增加。对于CAL4 F 1700V二极管，这两种功率损耗之间的平衡是通过轴向寿命及掺杂分布的优化来获得，对于在低的和高的开关频率下应用的二极管尤其如此。

    CAL4 F 1700V二极管（额定电流75A）在室温（RT）和高温（T_j =150°C）下相应的通态特性曲线示于图2。CAL4 F 1700V二极管最显著的通态特性，是在电流大于50A以后所呈现的正温度系数dU/dT。由于正温度系数dU/dT的原因，当并联二极管在高功率应用（优化静态及动态功率分配）及直流（DC）高电压应用（关断期间限制动态过电压）时，这种新一代的二极管能够自动分配电流，保持平衡。

    为了评价反向恢复特性，我们使用了双脉冲电流，其负载为电感。续流二极管（FWD）由通态向断态的切换，由一个与之串联的IGBT完成。CAL4 F 1700V二极管的换流dI/dt=1500 A/µs，测试结果显示为软的恢复特性（见图3）

               图2 CAL4 F 1700V (75A)二极管的室温(RT)及150°C通态特性

                图3 CAL 4F1700V二极管的反向恢复特性，其中dI/dt=1500 A/µs

    为了论证使用新一代CAL 4F 1700V二极管的模块性能得到改善，我们计算了单个芯片所能承受的负载电流。计算依据是由静态和动态损耗而引起的芯片温度的上升，最大负载电流就是当二极管或IGBT的模拟仿真的温度超过工作温度时的负载电流。

    CAL 4F 1700V二极管的增强型终端结构，使它的工作温度能够达到Top=150°C，而CAL I 1700V 和CAL HD 1700V二极管只能工作到Top=125°C。

    仿真指出，动态损耗的降低与最高工作结温的提高，二者的结合，使得CAL 4F二极管的性能比CAL I 1700V和CAL HD 1700V具有显著的优势。CAL4 F 1700V二极管的电流性能分别比CAL HD 1700V 和 CAL I 1700V二极管高出27％和33％。仿真只计算到二极管的限定电流。

    二极管的转折电压改变以后，有两项参数需要重新设计。首先是掺杂剖面，对于PIN器件，窄的n^－基区必须优化以确保650V以上的转折电压；其二，在一个相当宽的频率范围内对开关损耗与静态损耗之间做出优化折衷，手段则是优化轴向载流子寿命剖面。

    当反向恢复以一个中等的dI/dt=1500A/µs换流时，CAL4 F 650V二极管显现了软开关特性，并且反向恢复时间达到了t_rr=0,4µs，如图6所示。

    为了证实新型二极管在高速换流时也能够有效地开关，给出了图7所示的室温动态损耗及150°C动态损耗。反向恢复的测试显示，在室温和150°C下，dI/dt由800A/µs 增加到4500A/µs，动态损耗仅仅上升了2.5倍。在电路短路的情况下，FWD必须能够耐受非常高的开关速度，这时，动态雪崩有可能导致二极管的不可逆的应力损害。通过在临界条件下的反向恢复测量，CAL4 F 650V二极管显示了非常好的动态可重复性，也就是说，非常高的dI/dt=4500A/µs时，也没有造成模块的损坏。

    高可靠性的CAL4 F 650V二极管将装配于MiniSkiiP和SkiM模块，并应用于诸如新一代MLI（多电平逆变器）装置。

3 结语

    本文介绍了一种增强型第4代CAL续流二极管，电压等级有650V、1200V和1700V。这些二极管使用了人们已经熟知的多晶层／氧化层钝化技术，并与双场环一起优化设计，以达到在最高结温和极其恶劣条件下的极高的可靠性。

    由于通态特性得到优化，表现为正温度系数dU/dT，因此，所有这些二极管都可以理想地用于并联运行而没有过热。此外，650V、1200V和1700V续流二极管的动态测量及匹配的IGBT，都显示了低的反向恢复峰值电流和软的开关特性。对于1200V电压等级，则针对不同的开关频率提供专门的解决方案。CAL 4F 1200V二极管优化于高的开关频率，而CAL4 HD 1200V二极管则在低的开关频率下具有优势。CAL4 F和CAL4 HD二极管都表现为软开关特性，并有非常高的动态可重复性。

    这些新一代二极管的优点已经在很多SEMIKRON的模块或者第三方的模块中得到应用。

[page]4 参考文献

[1] Volker Demuth, Karlheinz Häupl, Bernhard König, Wolfgang Nichtl-Pecher, “CAL4: The Next Generation 1200V Freewheeling Diode”, PCIM China 2007 Conference 2006, Shanghai, China

[2] Ralf Ehler, “Intelligent power module family SKiiP4 with improved switching behavior” PCIM China Conference 2011, Shanghai, China

附注

原文作者： Fryderyk Kozlowski, Bernhard Koenig, Martin Hansmann,

Wolfgang Nichtl-Pecher  

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