CN110911482B - 一种门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法，所述方法包括，所述方法通过工艺控制降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降，从而减小所述晶闸管通态损耗；所述降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降包括：降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻从而降低通态压降，和/或降低硅与两侧的金属块的接触压降。本发明的方法能够延长晶闸管使用寿命，增强了电子电路长期工作的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件领域，尤其涉及一种门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法。
背景技术
集成门极换流关断晶闸管(IGCT)因为优异的关断电流能力、高阻断能力、通态损耗低、运行可靠性高的优势而可以在现有模块化多电平(MMC)应用中与IGBT配合，发展出具有直流故障电流切除能力和母线电压阻断能力的IGCT交叉钳位MMC拓扑，由于IGCT在拓扑中为常导通状态，仅在发生直流故障时对电流进行一次电流切除。基于上述IGCT在MMC中的工作状态，如何延长适用于MMC拓扑环境的且通态损耗更低的IGCT晶闸管成为延长基于MMC的集成门极换流关断晶闸管寿命的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法，其特征在于，
所述方法通过工艺控制降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降，从而减小所述晶闸管通态损耗；
所述降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降包括：
降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻从而降低通态压降，和/或
降低硅与两侧的金属块的接触压降。
进一步地，所述降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻是通过减小芯片厚度，进而减小等效体电阻大小。
进一步地，所述降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻和降低硅与两侧的金属块的接触压降,是通过增加阴极与金属块的接触面积实现。
进一步地，所述增加阴极与金属块的接触面积是通过优化接触面版图的梳条形状来实现，具体包括：
加大梳条宽度和/或减小梳条间距。
进一步地，
所述降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻是通过提升通态时芯片的等离子体密度实现的，具体为：
削弱所述晶闸管器件电子辐照以降低芯片的少子寿命，进而提升通态时芯片的等离子体密度；
或者不进行辐照处理，维持芯片少子寿命不变，进而维持通态时芯片的等离子体密度；
进一步地，所述降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻是通过增强阳极的注入效率，提升通态时芯片的等离子体的密度来实现。
本发明所提供的方法能够在保证器件应用时所需的阻断能力及最大可关断电流能力的情况下，有效地降低基于MMC应用的门极换流关断晶闸管通态损耗，延长晶闸管使用寿命，增强了电子电路长期工作的稳定性。应理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。除非明确指出，否则附图不应视为按比例绘制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同组件或步骤。在附图中：
图1示出了本公开所述降低通态压降的策略与方法关系结构示意图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本文所描述的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。在本说明书和附图中，将采用相同的附图标记表示大体上相同的元素和功能，且将省略对这些元素和功能的重复性说明。此外，为了清楚和简洁，可以省略对于本领域所熟知的功能和构造的说明。
本技术主要针对门极换流关断晶闸管的通态损耗进行改进，同时保证器件应用时所需的阻断能力及最大可关断电流能力，但是对于电流关断速度可以容许一些增加。门极换流关断晶闸管的通态损耗由通态电流和其对应导通压降决定，实测的导通压降具体由门槛电压和通态电阻决定，有如下近似的线性关系式：
VT＝VT0+ITr
但是如果将晶闸管正向导通看作为一个PN结，同时考虑通态特性随温度的变化关系，则导通压降的计算公式应按照如下关系式考虑：
根据上式，导通压降由三个分量之和组成：
第一部分为结压降分量，其中I为正向电流，Is为反向饱和电流，k是一个常数，即波尔兹曼常数；
第二部分为等效体电阻引起的压降分量，其中Rb为晶闸管的等效体电阻，α为硅等效体电阻的温度系数，T0为参考温度；α为硅等效体电阻的温度系数；
第三部分为接触压降分量，V0为硅与两侧的金属块的接触压降。
如附图1所示，降低晶闸管通态压降的策略主要包含上述三部分的压降分量，包括：1结压降分量、2等效体电阻压降分量、3接触压降分量。
本发明主要从器件工艺控制的角度，针对策略：2等效体电阻压降分量、3接触压降分量提出可行的优化方法。下面结合附图做具体介绍：
如附图1所示，采用策略降低2等效体电阻压降分量降低晶闸管通态损耗可以通过优化工艺21减小芯片厚度来实现。现有的IGCT的电压阻断能力在IGCT交叉钳位MMC应用中有较大裕度，所以可以通过在现有缓冲层结构的基础上，通过调整缓冲层深度和浓度适当降低器件的阻断能力，来得到进一步缩减所需的器件片厚的空间，进而减小等效体电阻大小。
如附图1所示，采用策略2降低等效体电阻压降分量降低晶闸管通态损耗可以还通过优化工艺22增加阴极与金属块的接触面积来实现。硅与两侧金属块的接触压降和接触面积成反比，所以通过适当优化版图的梳条形状。如附图1所示，本实施例中，在保证最大可关断电流能力的条件下通过采用如下方法增加硅与金属块接触面积：
221采用更大尺寸的阴极梳条，如加大梳条宽度；
222缩短梳条间距来提高梳条的密度。
采用此工艺21同时也可以实现降低3接触压降分量的效果。
如附图1所示，采用策略2降低等效体电阻压降分量降低晶闸管通态损耗可以还通过提升通态时芯片的等离子体密度来实现，具体优化工艺可以是23控制少子寿命。器件本体的少子寿命主要用于改善器件在关断时的拖尾电流时间进而减小关断损耗的大小，由于该应用中不涉及快速频率下的开通及关断状态的切换，故对器件的电流关断速度要求不是特别高，可以在现有的器件基础上削弱电子辐照或者不进行辐照处理，从而维持芯片少子寿命不变或不降低过多芯片的少子寿命，进而提升芯片在导通状态的等离子密度。
如附图1所示，采用策略2降低等效体电阻压降分量降低晶闸管通态损耗可以还通过优化工艺24增加增强阳极的注入效率来实现。增强阳极的注入效率可能会带来拖尾时间的延长，但是由于该应用的特殊性，IGCT只需要进行单次可靠关断，故可能适当牺牲关断的动态特性来达到更好的通态特性，其作用原理与电子辐照的作用原理相类似。具体而言，本领域技术人员可以根据本发明的原理对所述具体部件进行选择性设置，只要能够实现本发明的控制方法的原理即可。增强阳极的注入效率可提升通态时芯片的等离子体的密度，减小等效体电阻大小。
本领域技术人员应该理解的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求书的范围。
Claims (4)
1.一种门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法，其特征在于，
所述方法通过工艺控制降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降，从而减小所述晶闸管通态损耗；
所述降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降包括：
降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻从而降低通态压降，和/或
降低硅与两侧的金属块的接触压降，其中，所述降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻和降低硅与两侧的金属块的接触压降,是通过增加阴极与金属块的接触面积实现。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述增加阴极与金属块的接触面积是通过优化接触面版图的梳条形状来实现，具体包括：
加大梳条宽度和/或减小梳条间距。
3.一种门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法，其特征在于，
所述方法通过工艺控制降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降，从而减小所述晶闸管通态损耗；
所述降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降包括：
降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻从而降低通态压降，和/或
降低硅与两侧的金属块的接触压降，其中，
所述降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻是通过提升通态时芯片的等离子体密度实现的，具体为：
削弱所述晶闸管器件电子辐照以降低芯片的少子寿命，进而提升通态时芯片的等离子体密度；
或者不进行辐照处理，维持芯片少子寿命不变，进而维持通态时芯片的等离子体密度。
4.一种门极换流关断晶闸管通态损耗改进方法，其特征在于，
所述方法通过工艺控制降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降，从而减小所述晶闸管通态损耗；
所述降低所述门极换流关断晶闸管的导通压降包括：
降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻从而降低通态压降，和/或
降低硅与两侧的金属块的接触压降，其中，
所述降低门极换流关断晶闸管的硅的等效体电阻是通过增强阳极的注入效率，提升通态时芯片的等离子体的密度来实现。
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| 高压脉冲晶闸管热特性研究;陈旭;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20170630(第6期);正文第21-22页 * |
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