CN207218236U - 一种浪涌保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种浪涌保护器，涉及半导体器件领域，该浪涌保护器采用多芯片串联结构封装，TVS的正极连接浪涌保护器的第一端，TVS的负极通过固体放电管连接浪涌保护器的另一端；该浪涌保护器集成TVS和固体放电管的特性，当正向浪涌发生时，利用固体放电管的饱和导通特性，可以有效降低钳位电压，当负向浪涌发生时，固体放电管导通，导通电压很小，可以有效保护后续电路中的待保护器件并减小电路中的保护电感的感值，从而减小保护电感的尺寸和成本，提高整个电路的集成度，同时串接的固体放电管可以提供防反接保护。

Description

一种浪涌保护器

技术领域

本实用新型涉及半导体器件领域，尤其是一种浪涌保护器。

背景技术

雷电是自然界强大的脉冲火花放电过程，直击电流可达200KA，雷击浪涌表现为8/20μs波形或10/350μs波形，室外直流电源被雷电直击或感应时会损坏到与直流电源相连的各种元器件，因此基站通信电源、电动车充电装、太阳能电池板以及室外直流电源上都会跨接有浪涌保护器，通过浪涌保护器对浪涌的吸收能力，可以有效的保护元器件避免遭受雷击损坏。

该浪涌保护器的应用电路如图1所示，其中，电源正极为0V，电源负极DC-可以是-12V、-24V、-48V或其他电压值，以电源负极DC-为-48V为例做分析,目前通常是使用双向TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态抑制二极管)作为浪涌保护器或浪涌保护模块，由于电压的波动，通常电源负极DC-的最低电压会达到-60V,因此，选择TVS管的时候，考虑到温度特性，会选择安全电话大于等于66V的TVS以保证TVS的正常工作，比如通常会选择安全电压为66V或76V的TVS。这样就会带来另外一个问题，当雷电产生的几万伏的电压大于TVS的击穿电压时，TVS导通，该双向TVS在吸收浪涌后将电压钳位在预定电压Vc，该预定电压Vc通常为该双向TVS的最大钳位电压，是其固有特性，钳位电压可以达到125V@10kA 8/20，工作特性图如图2所示，由于该钳位电压较大且持续时间长，因此需要在浪涌保护器或浪涌保护模块后再接一个电感L，通过电感L的抑制才能保证后续待保护的精密的电子设备不会被雷电打坏，由于需要抑制的钳位电压较大，因此电感L通常选用尺寸和感值都较大的空心电感，会占据较大空间。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种浪涌保护器，该浪涌保护器可以有效减小电路中的保护电感的感值和尺寸。

本实用新型的技术方案如下：

一种浪涌保护器，该浪涌保护器包括瞬态抑制二极管TVS和固体放电管，TVS的正极连接浪涌保护器的第一端，TVS的负极连接固体放电管的第一端，固体放电管的第二端连接浪涌保护器的第二端，浪涌保护器的第一端用于连接电源正极，浪涌保护器的第二端用于连接电源负极。

其进一步的技术方案为，浪涌保护器采用多个芯片串联结构进行封装，浪涌保护器包括至少两个TVS，至少两个TVS首尾串联并与固体放电管叠加串联，串联没有先后顺序。

其进一步的技术方案为，固体放电管为不对称或单向固体放电管，固体放电管包括硅衬底，硅衬底之上设置有正面基区和反型层，正面基区和反型层连接固体放电管的第一端，硅衬底之下设置有背面长基区，背面长基区连接固体放电管的第二端，背面长基区上设置有发射极，硅衬底与背面长基区之间设置有埋层；

其中，硅衬底、埋层、反型层与发射极均掺杂有P型杂质，正面基区与背面长基区均掺杂有N型杂质；或者，硅衬底、埋层、反型层与发射极均掺杂有N型杂质，正面基区与背面长基区均掺杂有P型杂质。

其进一步的技术方案为，埋层中注入有P型离子或N型离子，埋层中注入的离子浓度为2*10¹²～2*10¹⁴ions/cm²，埋层中的离子浓度与固体放电管的崩溃电压大小成反比。

其进一步的技术方案为，正面基区的下方设置有深阱区，和/或，背面长基区上方设置有深阱区，深阱区掺杂有与正面基区与背面长基区相同类型的杂质。

本实用新型的有益技术效果是：

1、该浪涌保护器采用TVS与固体放电管串联的结构，其遭受正向浪涌时，该浪涌保护器呈现TVS特性，响应速度快且通流量大，利用固体放电管的饱和导通特性可以大幅减小钳位电压，当浪涌消失时，由于TVS的安全电压大于电路的最大工作电压，因此电路可以再次恢复正常工作状态；当遭受负向浪涌时，该浪涌保护器呈现放电管特性，固体放电管导通且固体放电管的导通电压低，因此可以有效减小保护电感的感值和尺寸，提高电路的集成度。

2、该浪涌保护器包括至少两个首尾串联的TVS，使得该浪涌保护器可以承受大功率和高电压，适用于万安培高浪涌环境中。

3、浪涌保护器中增加了固体放电管，利用反向的固体放电管特性，可以提供防反接保护，在反接的情况下，固体放电管的电压高于直流电源的电压，不至于导通，同时本申请中的固体放电管的结构中包括反型层，反型层的增加可以提高其在PN结方向的通流量，从而提高固体放电管的通流量，提高浪涌保护器对浪涌的吸收能力。

附图说明

图1是现有的浪涌保护器的结构图和工作原理图。

图2是现有的浪涌保护器的工作特性图。

图3是本申请的浪涌保护器的结构图和工作原理图。

图4是本申请的固体放电管的结构图。

图5是本申请的浪涌保护器的工作特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

请参考图3，其示出了本实用新型公开的浪涌保护器的结构图，该浪涌保护器用于直流电源中，跨接在待保护器件两侧，用于吸收浪涌，如图3示出的电路图，该电路中通常还包括保护电感L，用于对电压进行进一步的抑制。该浪涌保护器采用多个芯片串联结构进行封装，该浪涌保护器包括TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态抑制二极管)和固体放电管，TVS的安全电压大于电源电压，也即大于电路的最大工作电压，固体放电管为不对称或单向固体放电管。TVS和固体放电管相串联，也即TVS的正极连接浪涌保护器的第一端，其可以实现为TVS的正极连接金属层，该金属层包括外接导线，该外接导线即为浪涌保护器的第一端，TVS的负极连接固体放电管的第一端，在实际实现时，通常是在TVS结构与固体放电管结构之间设置一金属层，通常为一铜片，以实现TVS与固体放电管的连接，固体放电管的第二端连接浪涌保护器的第二端，其可以实现为固体放电管的第二端连接金属层，该金属层包括外接导线，该外接导线即为浪涌保护器的第二端，浪涌保护器的第一端用于连接电源正极，浪涌保护器的第二端用于连接电源负极，如图3示出了浪涌保护器的第一端连接0V，第二端连接DC-的示意图，其中DC-可以是-12V、-24V或-48V等。TVS的正向呈现TVS特性、反向呈现PN结特性，固体放电管的正向呈现PN结特性、反向呈现放电管特性(也称为SIDACtor特性)，且该固体放电管的崩溃电压可调。

为了使得该浪涌保护器可以在万安级高浪涌情况下正常使用，该浪涌保护器需要承受大功率和高压，因此可选的，该浪涌保护器包括至少两个TVS，该至少两个TVS首尾串联，然后与固体放电管叠加串联，且串联没有先后顺序，该至少两个TVS形成的串联电路的总的安全电压大于电源电压，也即大于电路的最大工作电压，如图3示出了该浪涌保护器包括依次串联的TVS1、TVS2和固体放电管。

请参考图4示出的固体放电管的结构图，该固体放电管包括硅衬底41，该硅衬底41采用掺有P型杂质(比如硼)或N型杂质(比如磷)的<111>晶向的直拉<CZ>或者区融<FZ>的单晶硅作为衬底材料。硅衬底41之上设置有正面基区42和反型层43，正面基区42和反型层43连接固体放电管的第一端；硅衬底41之下设置有背面长基区44，背面长基区44连接固体放电管的第二端，背面长基区44上设置有发射极45，硅衬底41与背面长基区45之间设置有埋层46，该埋层46是采用掩模板形成适当图形的氧化层后，通过氧化层掩模作用，采用离子注入的方式得到的，在埋层中注入的离子浓度为2*10¹²～2*10¹⁴ions/cm²，埋层中的离子浓度与固体放电管的崩溃电压大小成反比，在实际实现时，可以根据所需要形成的崩溃电压的大小注入相应的离子浓度。

为了提高浪涌保护器对浪涌的吸收能力，该浪涌保护器必须有较大的通流量，同时在万安级高浪涌情况下，由于电流非常大，此时即便再增加芯片面积的大小，该浪涌保护器的通流量也不会增大，而且大电流容易引起芯片损坏，因此必须通过其他方法提高该浪涌保护器的通流量，在本申请中，如图4所示的结构，固体放电管的结构中设置有反型层43，反型层43的设置可以提高其在PN结方向的通流量，从而提高固体放电管的通流量，提高浪涌保护器对浪涌的吸收能力。

可选的，如图4所示，正面基区42的下方还设置有深阱区47，和/或，背面长基区45上方还设置有深阱区47，深阱区的设置可以提高浪涌保护器的通流量，提高其浪涌吸收能力，深阱区掺杂有与正面基区41与背面长基区45相同类型的杂质。其中，硅衬底41、埋层46、反型层43与发射极45均掺杂有P型杂质，正面基区42和背面长基区45均掺杂有N型杂质；或者，硅衬底41、埋层46、反型层43与发射极45均掺杂有N型杂质，正面基区42与背面长基区45均掺杂有P型杂质。如图4所示的结构，该固体放电管包括N型硅衬底及其两侧的P型基区和N型反型层，背面长基区与硅衬底之间设置有N型埋层，背面长基区上设置有N型发射极。

该浪涌保护器的工作原理如下：

该浪涌保护器的第一端连接电源正极，第二端连接电源负极，如图3所示。当该浪涌保护器遭受正向浪涌冲击时，该浪涌保护器整体呈现TVS特性，当电压达到击穿电压V_B时，该浪涌保护器中的TVS导通并吸收浪涌，从而对电压进行钳位，且相比于仅使用TVS进行钳位时的钳位电压125V@10kA 8/20，本申请中的浪涌保护器，通过采用TVS与固体放电管串联的结构，固体放电管的双三极管形成正反馈，触发后形成饱和导通的饱和导通电压V_T小于4V甚至小于2V，因此可以利用固体放电管这一饱和导通特性，使得正向的钳位电压大幅降低至100V@10kA 8/20，当正向浪涌消失时，由于TVS的安全电压大于电路的最大工作电压，整个电路又可以恢复到正常工作状态。

当该浪涌保护器遭受负向浪涌冲击时，该浪涌保护器整体呈现放电管特性，该固体放电管的双三极管形成正反馈，触发后形成饱和正反馈导通，导通电压V_T很小，通常低于4V甚至更低，甚至可以达到1V，由于导通电压V_T较小，因此为了保证导通电压V_T小于L*di/dt，保护电感L的感值就大大降低，相应的保护电感L的尺寸和成本都可以降低。同时对于本申请中的浪涌保护器，用户在使用电源不小心反接时，由于浪涌保护器反向呈现的固体放电管的特性，而固体放电管的导通电压大于直流电源的电源电压，因此固体放电管不至于导通，也就不至于对电路造成破坏，但当发生雷击时，高浪涌电压高于固体放电管的导通电压，固体放电管导通，为后续待保护器件提供保护，该浪涌保护器的工作特性如图5所示。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种浪涌保护器，其特征在于，所述浪涌保护器包括瞬态抑制二极管TVS和固体放电管，所述TVS的正极连接所述浪涌保护器的第一端，所述TVS的负极连接固体放电管的第一端，所述固体放电管的第二端连接所述浪涌保护器的第二端，所述浪涌保护器的第一端用于连接电源正极，所述浪涌保护器的第二端用于连接电源负极。

2.根据权利要求1所述的浪涌保护器，其特征在于，所述浪涌保护器采用多个芯片串联结构进行封装，所述浪涌保护器包括至少两个TVS，所述至少两个TVS首尾串联并与所述固体放电管叠加串联，串联没有先后顺序。

3.根据权利要求1或2所述的浪涌保护器，其特征在于，所述固体放电管为不对称或单向固体放电管，所述固体放电管包括硅衬底，所述硅衬底之上设置有正面基区和反型层，所述正面基区和所述反型层连接所述固体放电管的第一端，所述硅衬底之下设置有背面长基区，所述背面长基区连接所述固体放电管的第二端，所述背面长基区上设置有发射极，所述硅衬底与所述背面长基区之间设置有埋层；

其中，所述硅衬底、所述埋层、所述反型层与所述发射极均掺杂有P型杂质，所述正面基区与所述背面长基区均掺杂有N型杂质；或者，所述硅衬底、所述埋层、所述反型层与所述发射极均掺杂有N型杂质，所述正面基区与所述背面长基区均掺杂有P型杂质。

4.根据权利要求3所述的浪涌保护器，其特征在于，所述正面基区的下方设置有深阱区，和/或，所述背面长基区上方设置有深阱区，所述深阱区掺杂有与所述正面基区与所述背面长基区相同类型的杂质。