CN101853847A - 组合半导体整流器件和使用该组合半导体整流器件的电功率转换器 - Google Patents

组合半导体整流器件和使用该组合半导体整流器件的电功率转换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种组合半导体整流器件和使用该组合半导体整流器件的电功率转换器。根据本发明的组合半导体整流器件1包括PN结硅二极管1b和肖特基势垒二极管1a，该肖特基势垒二极管1a具有的击穿电压高于PN结硅二极管1b的击穿电压，而且肖特基势垒二极管1a由半导体制成，该半导体的带隙比硅的带隙宽。根据本发明的组合半导体整流器件1具有缩短的反向恢复时间、低反向漏电流特性和高击穿电压。根据本发明的组合半导体整流器件1在电功率转换器中有利地使用。

Description

组合半导体整流器件和使用该组合半导体整流器件的电功率转换器
技术领域
本发明涉及一种组合半导体整流器件。具体而言，本发明涉及一种组合半导体整流器件，其包括：其漂移区由宽带隙半导体(下文称为“WBG半导体”)组成的宽带隙半导体整流器件(下文称为“WBG半导体整流器件”)，该宽带隙半导体的带隙比硅的带隙宽；以及与该WBG半导体整流器件串联的硅半导体整流器件。本发明还涉及一种使用上述组合半导体整流器件的电功率转换器。
背景
在逆变器电路和开关电源电路中，开关器件以高频接通和切断。在那些电路中，以反并联方式与开关器件连接且用作续流二极管(以下称为“FWD”)的半导体整流器件(二极管)也进行高速开关操作。进行高速切换操作的半导体整流器件尤其需要具有与开关器件的击穿电压一样高的击穿电压，以及与开关器件的反向恢复时间一样短的反向恢复时间(表示为“trr”)。还需要半导体整流器件产生低反向漏电流IR和低正向电压VF。
600V击穿电压级别的普通PN结硅二极管的反向恢复时间trr在常温下较长，而在高温下长。由于反向恢复时间trr长，将PN结硅二极管用于上述FWD并无优势。然而，由于PN结硅二极管的反向漏电流小于宽带隙肖特基势垒二极管(以下称为“WBG-SBD”)中产生的反向漏电流，因此PN结硅二极管有优势。
在功率半导体领域，利用WBG半导体衬底制造的WBG二极管越来越多。虽然600V级别的高击穿电压硅SBD的任何产品还未制造出来，但诸如氮化镓(GaN)SBD和碳化硅(SiC)SBD之类的WBG-SBD产品已制造出来。因为具有高击穿电压的这些SBD是单极载流子类型的器件，而且由于少数载流子的积累而引起的任何反向恢复时间理论上不会产生。因此，高击穿电压SBD的一个特定特征是反向恢复时间trr在高温下不会发生任何变化。然而，高击穿电压SBD的反向漏电流IR高于同一击穿电压级别的PN结硅二极管的反向漏电流IR，有时这会成为问题。
包括以串联方式相互连接的任一上述WBG半导体器件之类的半导体器件的电路配置和基于其串联连接结构的半导体整流器件的性能改进在以下专利文献中进行了描述。
以下专利文献1描述了LED光源，其具有以串联方式在正向上连接GaN LED和多个Si二极管的配置，其中多个Si二极管以串联方式连接以提高击穿电压。以下专利文献2描述了一种用作二极管的组合半导体器件，其包括以串联方式相互连接的硅二极管和单极型控制半导体器件，以便提高反向恢复时间、击穿电压以及导通状态电阻。以下专利文献3描述了硅SBD和SiC二极管的串联连接，该串联连接便于制造具有高击穿电压的组合二极管。
[描述现有技术的文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本待审专利申请公开No.2005-276979(摘要)
[专利文献2]日本待审专利申请公开No.2008-198735(摘要和段落[0008])
[专利文献3]日本待审专利申请公开No.2004-214268(段落[0004]和段落[0006])
虽然专利文献1和3中描述的组合半导体器件采用了包括化合物半导体器件的半导体器件的串联连接，但这些组合半导体器件想要解决的问题彼此不同。在专利文献1和3中没有发现提出将组合半导体器件用于逆变器电路或开关电源电路的任何描述。专利文献2中描述的组合半导体器件用于续流二极管。专利文献2公开了将具有低正向压降和低击穿电压的硅半导体器件与具有高击穿电压和在导通状态下等效于电阻器的控制半导体器件的串联连接用作二极管的配置。专利文献2中所述的组合半导体器件的目标是对正向压降、击穿电压以及反向恢复时间的改进。然而，在利用化合物半导体以低制造成本经济地制造控制半导体器件时，某些问题至今仍未解决。
根据上述内容，期望消除上述问题。还期望提供一种具有缩短的反向恢复时间和低反向漏电流特性的高击穿电压组合半导体整流器件。进一步期望提供一种电功率转换器，其采用具有如上所述的改进性能的组合半导体整流器件。
发明内容
根据本发明，提供了一种组合半导体整流器件，包括：
以串联方式彼此连接的PN结硅二极管和肖特基势垒二极管；
该肖特基势垒二极管具有的击穿电压等于或高于该PN结硅二极管的击穿电压；以及
该肖特基势垒二极管采用带隙比硅的带隙更宽的半导体。
有利地，其带隙比硅的带隙宽的半导体是碳化硅半导体或氮化镓半导体。
有利地，该PN结硅二极管和肖特基势垒二极管以芯片状态以串联方式相互连接并被树脂密封于封装中。
根据本发明，提供了一种电功率转换器，包括：
包括开关半导体器件和电感器的电路；
该电路具有功率因数修正功能；以及
该电路还包括上述组合半导体整流器件。
根据本发明，提供了一种具有缩短的反向恢复时间、低反向漏电流特性以及高击穿电压的组合半导体整流器件。还提供了一种有利地采用根据本发明的组合半导体整流器件的电功率转换器。
附图简述
图1是根据本发明的实施方式的组合半导体整流器件的等效电路图。
图2是根据本发明的另一实施方式的组合半导体整流器件的等效电路图。
图3(A)是描述GaN-SBD在25℃的结温Tj下的反向恢复电流波形的波形图。
图3(B)是描述GaN-SBD在125℃的结温Tj下的反向恢复电流波形的波形图。
图4(A)是描述PN结硅快速恢复二极管(以下称为“PN结硅FRD”)在25℃的结温Tj下的反向恢复电流波形的波形图。
图4(B)是描述PN结硅FRD在125℃的结温Tj下的反向恢复电流波形的波形图。
图5(A)是描述包括以串联方式相互连接的图3(A)中所述的GaN-SBD和图4(A)中所述的PN结硅FRD的组合半导体整流器件在25℃的结温Tj下的反向恢复电流波形的波形图。
图5(B)是描述包括以串联方式相互连接的图4(B)中所述的GaN-SBD和图5(B)中所述的PN结硅FRD的组合半导体整流器件在125℃的结温Tj下的反向恢复电流波形的波形图。
图6是涉及根据本发明的实施例1的GaN-SBD、PN结硅FRD以及组合半导体整流器件的反向恢复时间trr与结温Tj的关系的一组曲线。
图7是涉及根据本发明的实施例1的GaN-SBD、PN结硅FRD以及组合半导体整流器件的反向漏电流IR与反向电压VR的关系的一组曲线。
图8是涉及根据本发明的实施例1的GaN-SBD、PN结硅FRD以及组合半导体整流器件的反向漏电流IR与结温Tj的关系的一组曲线。
图9是描述具有600V额定电压和10A额定电流的SiC-SBD的反向恢复电流波形和反向电压波形的波形图。
图10是描述具有600V额定电压和10A额定电流的PN结硅FRD的反向恢复电流波形和反向电压波形的波形图。
图11是描述根据本发明的实施例2的包括以串联方式相互连接的图9中所述的SiC-SBD和图10中所述的PN结硅FRD的组合半导体整流器件的反向恢复电流波形和反向电压波形的波形图。
图12是描述SiC-SBD和PN结硅FRD所共享的电压的波形的波形图，该电压的时序适应于施加给根据实施例2的组合半导体整流器件的电流(6A)和电压(400V)的接通和切断。
图13涉及基于图9到11中所述的反向恢复电流波形和反向电压波形的峰值过冲反向电压VRP与反向恢复时间的电流变化率dir/dt的关系。
图14是示出将根据实施例2的组合半导体整流器件用作二极管D的升压型功率因数修正(以下称为“PFC”)电路的电路框图。
图15是描述连续电流模式的PFC电路中的二极管D和开关Q的估计损耗比的分布图，其中根据实施例2的组合半导体整流器件用作二极管D。
图16是涉及在桌面计算机的400W电源中的连续电流模式的PFC电路中用作二极管D的根据实施例2的组合半导体整流器件的估计损耗W与结温Tj的关系的一对曲线。
图17是描述处于图16中所述的条件下的GaN-SBD的损耗量的图表。
图18是描述处于图16中所述条件下的根据实施例2的组合半导体整流器件的损耗量的图表。
具体实施方式
以下将参照说明了本发明的实施例的附图来详细描述本发明。
虽然将结合本发明的实施例来描述本发明，但改变和修改对本领域技术人员将显而易见。因此，本发明不应通过本文的特定描述来理解，而应通过所附权利要求来理解。
首先参照图1，半导体整流器件1a上安装有宽带隙肖特基势垒二极管(以下称为“WBG-SBD”)芯片，且包括阳极端子3和阴极端子4。半导体整流器件1b上安装有PN结硅二极管芯片，且包括阳极端子5和阴极端子6。组合半导体整流器件1通过将半导体整流器件1a的阴极端子4和半导体整流器件1b的阳极端子5直接连接、以使半导体整流器件1a和1b以串联方式相互连接而组装而成。半导体整流器件1a可连接在半导体整流器件1b之前。或者，半导体整流器件1b连接在半导体整流器件1a之前也没有问题。期望半导体整流器件1a是具有的击穿电压比半导体整流器件1b的击穿电压高且正向电压降VF尽可能低的WBG-SBD。氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)优选用作该WBG半导体，不过还可采用其它化合物半导体。
还期望半导体整流器件1b是具有尽可能低的正向压降VF的PN结硅二极管。一般而言，在引起降低寿命扩散的100kHz或更高的开关频率下使用的诸如快速恢复二极管(以下称为“FRD”)之类的二极管和在不会引起降低寿命扩散的低于100kHz的开关频率下使用的电源二极管用作半导体整流器件1b。其它二极管也可用作半导体整流器件1b。只要端子4与5之间确保优良的导电，则图1中的阴极端子4和阳极端子5可按照任何方式连接。
图2中所示的电路等效于图1中所示的电路。在图1中，在不同位置组装的两个二极管封装经由金属电极或金属端子以串联方式相互连接。换言之，两个分立二极管以串联方式相互连接。图2示出了组合半导体整流器件2，其包括以串联方式相互连接并被树脂密封于封装中的半导体整流器芯片2a和半导体整流器芯片2b。
在图2中，半导体整流器芯片2a是WBG-SBD芯片，而半导体整流器芯片2b是PN结硅二极管芯片。组合半导体整流器件2具有以产生串联连接的取向将两类二极管芯片2a和2b直接连接的配置。二极管芯片2a和2b被封装中的密封剂区密封，以使阳极端子3和阴极端子6在组装工序之后引向外部以作为外部连接端子。
现在图1中所示的半导体整流器件1将被选作代表，而且其特性将在下文进行详细描述。
[实施例1]
图3(A)是描述具有600V额定电压和8A额定电流的简单GaN-SBD的反向恢复电流波形的波形图。图3(B)是描述简单GaN-SBD的反向恢复电流波形的另一波形图。图4(A)是描述具有600V额定电压和8A额定电流的简单PN结硅快速恢复二极管(以下称为“FRD”)的反向恢复电流波形的波形图。图4(B)是描述PN结硅FRD的反向恢复电流波形的另一波形图。图5(A)是描述根据本发明的包括以串联方式相互连接的图3(A)中所述的GaN-SBD和图4(A)中所述的PN结硅FRD的组合半导体整流器件1的反向恢复电流波形的波形图。图5(B)是描述包括以串联方式相互连接的图3(B)中所述的GaN-SBD和图4(B)中所述的PN结硅FRD的组合半导体整流器件1的反向恢复电流波形的另一波形图。在图3(A)、4(A)以及5(A)中，结温Tj为25℃。在图3(B)、4(B)以及5(B)中，结温Tj为125℃。
如图5(A)和5(B)所示，组合半导体整流器件1不具有简单PN结硅FRD的反向恢复特性，而仅具有简单GaN-SBD的反向恢复特性。
图6是涉及GaN-SBD、PN结硅FRD以及组合半导体整流器件1的反向恢复时间trr与结温Tj的关系的一组曲线。如图6所示，组合半导体整流器件1仅具有简单GaN-SBD的反向恢复特性。
图7是涉及GaN-SBD、PN结硅FRD以及组合半导体整流器件1的反向漏电流IR与反向电压VR的关系的一组曲线。图8是涉及GaN-SBD、PN结硅FRD以及组合半导体整流器件1的反向漏电流IR与结温Tj的关系的一组曲线。如图7和8所示，组合半导体整流器件1仅具有简单PN结硅FRD的低IR特性。
[实施例2]
图9是描述具有600V额定电压和10A额定电流的简单SiC-SBD的反向恢复电流波形和反向电压波形的波形图。图10是描述具有600V额定电压和10A额定电流的简单PN结硅FRD的反向恢复电流波形和反向电压波形的波形图。图11是描述根据本发明的实施例2的包括以串联方式相互连接的图9和10中所述的分立二极管的组合半导体整流器件1的反向恢复电流波形和反向电压波形的波形图。
如图11所示，根据实施例2的组合半导体整流器件1具有简单SiC-SBD(图9)的反向恢复电流波形和反向电压波形，但不具有简单PN结硅FRD的反向恢复电流波形或反向电压波形。在根据实施例2的组合半导体整流器件1两端的反向恢复期间产生的峰值过冲反向电压VRP是422V(图11)，且被抑制成低于PN结硅FRD的峰值过冲反向电压VRP，即486V(图10)。
图12是描述SiC-SBD和PN结硅FRD所共享的电压的波形的波形图，该电压的时序适应于施加给根据实施例2的组合半导体整流器件1的电流(6A)和电压(400V)的接通和切断。
如图12所指示，400V电压以100％的电压共用率被施加给SiC-SBD，但几乎不会施加给PN结硅FRD。因为SiC-SBD具有600V或更高的击穿电压，所以如果所施加的电压超过SiC-SBD的击穿电压，则一电压共用将被施加给PN结硅FRD。然而，因为图12中所施加的电压为400V，所以SiC-SBD维持100％电压共用率下的所施加电压。如果根据实施例2的组合半导体整流器件1在未施加超过SiC-SBD的击穿电压的任何电压的条件下使用，则PN结硅FRD的击穿电压毫无疑问可能低于SiC-SBD的击穿电压。因此，有可能采用具有低击穿电压和便于不仅获得低IR特性也能获得低VF特性的PN结硅FRD。
图13涉及基于图9到11中所述的反向恢复电流波形和反向电压波形的峰值过冲反向电压VRP与反向恢复时间的电流变化率dir/dt的关系。在图13中，纵轴表示峰值过冲反向电压VRP，而横轴表示反向恢复电流变化率dir/dt。
如图13中的双向箭头所示，软恢复性能在该图的左侧增强更多，而硬恢复性能在该图的右侧增强更多。组合半导体整流器件1的反向恢复电流的变化率dir/dt和峰值过冲反向电压与SiC-SBD的一样低，从而表明组合半导体整流器件1具有优良的软恢复性能。
图14是示出采用根据本发明的组合半导体整流器件1的升压型功率因数修正电路(以下称为“PFC电路”)的电路框图。
图14中所示的PFC电路包括二极管D、开关Q、电感L以及控制IC。从交流线路通过输入整流部分(未示出)馈入的电压和电流被施加给直流端子11和12。电流和电压从端子21和22以经过修正的功率因数输出。开关Q由控制IC控制，该控制IC馈送具有相对高频(例如从60到100kHz)的脉宽调制信号(下文称为“PWM信号”)。这些控制方法包括采用不连续电感电流的不连续电流控制模式和采用连续电感电流的连续电流控制模式。连续电流控制模式主要在用于输出高电功率(约150W或更高)的PFC电路中采用。因为该连续电流控制模式在二极管D正向导通时使开关Q接通，所以二极管D的正向电流被迫使反向偏置，从而引起与二极管D的反向恢复现象相关联的开关损耗Wrr。当然，在开关Q的接通状态下，反向电压施加给二极管D，从而引起二极管D的反向漏电流IR导致的反向功耗WR。在开关Q的切断状态下，正向电流流过二极管D，从而引起正向压降VF导致的正向功耗WF。
图15是描述连续电流模式的PFC电路中的二极管D和开关Q的损耗分析结果的分布图。
开关Q引起的损耗占据总损耗中非常大的部分，稍超过2/3。二极管D的反向恢复特性显著影响占据开关Q约一半损耗的接通损耗。因此，为减少开关Q的接通损耗，必须缩短二极管D的反向恢复时间trr。如果根据实施例1或2的组合半导体整流器件1用作连续电流模式的PFC电路中的组合二极管D，则将有可能不仅降低组合二极管D的损耗且降低开关Q的损耗。因为开关Q的损耗降低主要由二极管D的反向恢复时间trr的缩短主导，所以二极管D的损耗模拟结果在图16到18中进行了描述。
图16是涉及模拟用于桌面计算机的400W电源中的PFC电路的二极管的模拟损耗与结温Tj的关系的一对曲线。
具有600V额定电压和8A额定电流的简单GaN-SBD的反向功耗WR从125℃结温附近显著增大。具有上述额定值的GaN-SBD和具有低正向压降VF、600V额定电压以及8A额定电流的PN结硅FRD以串联方式相互连接的根据本发明的组合半导体整流器件1直至170℃结温附近都未引起损耗增加。根据本发明的组合半导体整流器件1的反向功耗WR在超过170℃结温时显著增大。
GaN-SBD在图16中所述条件下的损耗量在图17中进行了描述。在图16中所描述的条件下的根据本发明的组合半导体整流器件1的损耗量在图18中进行了描述。
在图17中，反向功耗的比例随所使用的GaN-SBD的温度升高而变高。因为组合半导体整流器件1的反向功耗比如图18所述的一样小，所以组合半导体整流器件1的总损耗被抑制为低。这表明根据本发明的组合半导体整流器件1在高温下使用是有优势的。在由于未来电源的尺寸减小和高密度贴装而引起的高工作温度的情况下，根据本发明的组合半导体整流器件1由于其低反向漏电流IR而有优势。
根据本发明的组合半导体整流器件1具有以下效果。在包括以串联方式相互连接的安装有WBG-SBD的半导体整流器件1a和安装有PN结硅二极管的半导体整流器件1b的组合半导体整流器件1中，仅具有高击穿电压的半导体整流器件1a在反向恢复期间被反向偏置。因此，组合半导体整流器件1仅具有半导体整流器件1a的反向恢复电流trr的特性作为组合半导体整流器件1自身的反向恢复时间trr的特性。组合半导体整流器件1仅具有半导体整流器件1b的反向漏电流IR的特性作为组合半导体整流器件1自身的反向漏电流IR的特性。
因为当施加正向偏置电压时正向电流流过半导体整流器件1a和1b，所以组合半导体整流器件1具有半导体整流器件1a和1b的正向压降VF的特性之和。因此，优选半导体整流器件1a和半导体整流器芯片2a产生尽可能低的正向压降VF。因此，通过采用便于进行高速开关操作、产生小反向漏电流IR且击穿电压低于WBG-SBD的击穿电压的PN结硅二极管，获得了具有低VF特性的组合半导体整流器件。虽然迄今已经结合图1所示结构描述了本发明，但通过具有图2中所示结构的组合半导体整流器件获得了相同效果。

Claims (4)

1.一种组合半导体整流器件，包括：
彼此串联的PN结硅二极管和肖特基势垒二极管；
所述肖特基势垒二极管具有的击穿电压等于或高于所述PN结硅二极管的击穿电压；
以及
所述肖特基势垒二极管包括带隙比硅的带隙宽的半导体。
2.如权利要求1所述的组合半导体整流器件，其特征在于，所述半导体包括碳化硅半导体或氮化镓半导体。
3.如权利要求1或2所述的组合半导体整流器件，其特征在于，所述PN结硅二极管和所述肖特基势垒二极管以芯片状态以串联的方式相互连接并被树脂密封于封装中。
4.一种电功率转换器，包括：
包括开关半导体器件和电感器的电路，
所述电路具有功率因数修正功能；以及
所述电路还包括如权利要求1所述的组合半导体整流器件。
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