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电工技术学报 2024年第23期39卷 7566-7576页

作者：王凌云刘宏伟袁建强谢卫平颜家圣国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073 中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900 湖北台基半导体股份有限公司襄阳441000

为提升功率半导体开关器件的峰值功率及开通速度,将晶闸管与光导开关(PCSS)的优势进行结合,设计了一种高压光控脉冲晶闸管器件,实验及分析中发现光生载流子横向扩展速度较慢,易诱发电流集中效应,从而导致器件失效,开关的导通速度也难以... 详细信息

为提升功率半导体开关器件的峰值功率及开通速度,将晶闸管与光导开关(PCSS)的优势进行结合,设计了一种高压光控脉冲晶闸管器件,实验及分析中发现光生载流子横向扩展速度较慢,易诱发电流集中效应,从而导致器件失效,开关的导通速度也难以进一步提升。在此基础上继续进行改进,提出大面积分散的阵列式门极结构,并采用激光二极管阵列、大电流脉冲强驱动等技术,大幅度提升了注入功率与均匀性。为了与阵列式门极图形匹配,设计了5×3阵列光源,使驱动的光功率峰值达到1 200W,波长为905nm。基于传统硅基μm级工艺平台,流片了23 mm开关芯片,完成了激光二极管阵列与开关的一体化封装。开关实现了工作电压8.5 kV、输出电流6 kA、开通峰值功率50 MW的工作特性,测试di/dt达到55 kA/μs,验证了该文设计的具有高工作电压、高隔离电压、快导通速度特性的新型光控脉冲晶闸管的有效性和可行性。此外,该文探讨了光控脉冲晶闸管结构提升脉冲性能的两种技术路径分别是提升驱动注入的峰值功率和均匀性。采用光控阵列式驱动和阵列式门极的技术路线,可有效地解决电控晶闸管、传统光控晶闸管(LTT)、单门极光控脉冲晶闸管的缺陷,显著提高器件的性能水平。

关键词：脉冲晶闸管光控快速阵列式门极激光二极管阵列

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脉冲晶闸管热网络模型及运行状态评估方法

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现代应用物理 2024年第2期15卷 116-125页

作者：刘毅缪云欣李兆辉张钦林福昌杨宁华中科技大学强电磁技术全国重点实验室电气与电子工程学院武汉430074 华中科技大学脉冲功率技术教育部重点实验室武汉430074

针对脉冲晶闸管承受强流脉冲导致的瞬态电磁热力联合冲击产生的热疲劳累积突发性失效问题,提出了在脉冲晶闸管内布置温度传感器的状态监测方法,建立了脉冲晶闸管的高阶瞬态热阻抗网络模型,分析了强流脉冲作用下脉冲晶闸管内部不同层的... 详细信息

针对脉冲晶闸管承受强流脉冲导致的瞬态电磁热力联合冲击产生的热疲劳累积突发性失效问题,提出了在脉冲晶闸管内布置温度传感器的状态监测方法,建立了脉冲晶闸管的高阶瞬态热阻抗网络模型,分析了强流脉冲作用下脉冲晶闸管内部不同层的温度分布规律,并通过理论计算验证了分析方法的有效性。计算结果表明,热网络模型计算相对偏差小于5%。可为脉冲晶闸管型强流开关的状态评估提供理论指导。

关键词：强流开关脉冲晶闸管热阻抗网络结温计算状态评估

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非对称脉冲晶闸管的特性及可靠性研究

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作者：梁晓刚西安理工大学

学位级别：硕士

在脉冲功率领域应用中,脉冲晶闸管除了要满足高阻断电压、高峰值电流、高电流上升率及高可靠性等要求外,在有些场合还需要有一定的反向阻断能力。为此,本文提出一种具有隐埋FS层的脉冲晶闸管结构,即在常规晶闸管中通过引入隐埋FS层,将N... 详细信息

在脉冲功率领域应用中,脉冲晶闸管除了要满足高阻断电压、高峰值电流、高电流上升率及高可靠性等要求外,在有些场合还需要有一定的反向阻断能力。为此,本文提出一种具有隐埋FS层的脉冲晶闸管结构,即在常规晶闸管中通过引入隐埋FS层,将N-基区分隔成上下两部分,以解决正反向均有阻断能力且电压不对称的问题。以正、反向阻断电压不对称的脉冲晶闸管为例,利用Sentaurus-TCAD软件研究器件的特性及可靠性,主要研究内容和结果如下:1.对比分析了具有常规FS层和隐埋FS层脉冲晶闸管的结构特点与工作原理,研究其正反向阻断、导通以及开通放电机理。2.分析了关键结构参数对器件正反向阻断、开通放电特性的影响,提取出最优参数,并通过工艺仿真,分析了实现隐埋FS层的可行性；研究了载流子寿命变化对器件阻断、开通放电特性的影响；分析了温度、自热效应对开通放电特性的影响,以及内部晶格温升变化的原因。3.研究了器件正反向终端耐压的鲁棒性,设计了正反向场限环终端结构,分析了工艺的鲁棒性。当横向扩散系数为0.85时,正、反向终端的耐压效率分别为90%和93%；确定了电阻区的长度为100±20μm,分析了静态雪崩发生后电阻区的可靠性。4.研究了器件du/dt耐量和抗静电放电(ESD)能力。结果表明,当du/dt为1500V/μs时,器件不会发生误触发；通过HBM测试,器件的静电放电能力较强,其门-阴极可以承受2000V以上的正、反向ESD耐压。该研究结果对脉冲晶管的研发具有一定的参考价值。

关键词：脉冲晶闸管开通放电隐埋FS层反向阻断场限环

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高压脉冲晶闸管热特性研究

高压脉冲晶闸管热特性研究

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作者：陈旭华中科技大学

学位级别：硕士

高压脉冲晶闸管作为一种耐压高、通流大的半导体开关被广泛应用于脉冲功率领域。本文主要研究脉冲晶闸管的热特性,包括基于瞬态热阻抗网络晶闸管结温计算,有限元仿真分析晶闸管结温不均匀分布和晶闸管结温的实验测量。论文推导了晶闸管... 详细信息

高压脉冲晶闸管作为一种耐压高、通流大的半导体开关被广泛应用于脉冲功率领域。本文主要研究脉冲晶闸管的热特性,包括基于瞬态热阻抗网络晶闸管结温计算,有限元仿真分析晶闸管结温不均匀分布和晶闸管结温的实验测量。论文推导了晶闸管热阻抗网络模型与电路模型之间的等效过程,求解了晶闸管的热阻抗参数,在此基础上求解了不同脉冲电流下晶闸管结温响应曲线,同时计算了考虑结温对晶闸通态压降的反馈影响下的结温响应曲线。计算结果表明,流过晶闸管的脉冲电流其峰值对结温的影响比脉宽对结温的影响显著,考虑结温对晶闸管通态压降反馈影响后计算的结温要比不考虑反馈影响下的结温要大。论文分析了脉冲晶闸管开通过程中导通区域的扩展过程,建立了晶闸管耗散功率密度的不均匀分布数学模型,结合晶闸管传热有限元模型,求解晶闸管不均匀温度分布。仿真结果表明,晶闸管在流过脉冲大电流时,热量开始时主要集中在门极附近,随后开始逐渐往周围阴极区域扩散。热量扩散速度的快慢主要取决于导通区域的扩展速度。同时由于硅片和钼片的导热系数都比较小,所以晶闸管阀片上的热量主要集中在硅片上,从硅片往两侧钼片上扩散的热量很小,而扩散到钼片外侧铜基座上的热量就更少。晶闸管的温度不均匀分布导致局部温度高达数百至一千摄氏度,达到晶闸管阀片缺陷点的熔点,造成阀片熔化,导致晶闸管热击穿和损坏。论文基于热敏参数法的基本原理,针对热敏参数法测量脉冲晶闸管结温所存在的技术难点,设计了合理的实验方案,通过在待测晶闸管两端并联一个恒流源支路,提前触发待测晶闸管导通,这样待测晶闸管在整个实验测量过程中两端电压都维持在几伏至十几伏之间,因而可以采用普通示波器探头精确测量晶闸管通态压降,进而根据热敏曲线计算结温。通过实验验证了该方案的可行性。测量了晶闸管在200A直流电流下的热敏曲线,同时测量了脉宽为400μs,峰值分别为12.48kA,26kA,39.2kA的脉冲电流流过晶闸管后晶闸管的结温升,其结温升分别为56.9℃,74.3℃和100.6℃。

关键词：脉冲晶闸管热特性瞬态热阻抗结温分布热敏参数

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超高速脉冲晶闸管特性研究

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电子制作 2023年第8期31卷 90-93页

作者：张桥肖彦黄智任丽湖北台基半导体股份有限公司湖北襄阳441021

近年脉冲功率技术发展迅速,功率半导体脉冲晶闸管因其特有的大功率优势得到了越来越广泛的应用。在脉冲功率领域的超高速半导体开关器件要求超高开通速度、高通流能力、寿命长等特点。常规的功率半导体开关受开通速度限制,在某结场合无... 详细信息

近年脉冲功率技术发展迅速,功率半导体脉冲晶闸管因其特有的大功率优势得到了越来越广泛的应用。在脉冲功率领域的超高速半导体开关器件要求超高开通速度、高通流能力、寿命长等特点。常规的功率半导体开关受开通速度限制,在某结场合无法做到综合参数满足要求。本文介绍一种超高速脉冲晶闸管,电压可达到5000V,di/dt可达到20KA/以上,脉冲峰值电流可达到150KA以上。该器件采用多元胞集成,采用缓冲层与透明阳极相结合,使其在导通压降和开通扩展等方面相对于传统快开通晶闸管具有更强的优势。可广泛应用于环保处理、电磁弹射等脉冲功率领域。

关键词：透明阳极超高速多元胞缓冲层脉冲晶闸管

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脉冲功率电源热管理技术研究

脉冲功率电源热管理技术研究

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作者：李兆辉华中科技大学

学位级别：硕士

脉冲功率电源运行会产生电-磁-热-力多物理场耦合的复杂环境,其发热主要集中在脉冲电流通过的路径上,主要的发热器件为脉冲电感和由脉冲晶闸管、二极管组成的开关阀组。当脉冲功率电源应用于重复频率工况时,由于绝缘材料热导率较低,器... 详细信息

脉冲功率电源运行会产生电-磁-热-力多物理场耦合的复杂环境,其发热主要集中在脉冲电流通过的路径上,主要的发热器件为脉冲电感和由脉冲晶闸管、二极管组成的开关阀组。当脉冲功率电源应用于重复频率工况时,由于绝缘材料热导率较低,器件内部的热量很难在短时间内扩散,引起器件局部累积温升过高。而功率器件温度上升过高所导致的热疲劳损坏,已成为脉冲功率电源的主要故障,同时热累积效应引发的器件温升过高会导致脉冲功率电源的重复输出精度下降。本文根据脉冲晶闸管的传热机理,建立了能够反映晶闸管的热传导过程的高阶热网络模型。计算了脉冲晶闸管的热阻抗曲线,并使用有限元计算以及实测曲线进行验证,热阻抗计算偏差小于5%。计算了在70k A/2ms脉冲放电工况下脉冲晶闸管的结温升,其最高温升为80.9K。与有限元计算与传统基于实测曲线进行比较,在各工况下偏差小于4%,实现不依赖厂家实测曲线的脉冲晶闸管的结温计算。分析了脉冲工况下晶闸管的温升特性,计算了重复频率放电工况下的温升累积,在1Hz的重复频率放电工况下,每次放电有1.5K的温升累积,10次放电后温升累积达15.1K。在此基础上,建立了脉冲晶闸管阀组散热器的热网络模型,与有限元计算进行比较,最大偏差小于6%。基于热网络模型,计算了不同冷却水流速下,脉冲晶闸管结温的特性,分析了流速变化对脉冲晶闸管温升累积的影响,当冷却水流速为1m/s时,10次放电后的温升累积降低至5.7K。根据热网络模型的温升研究方法,以某脉冲功率电源为例,对其脉冲功率电源的热管理系统结构与其热管理方法进行设计。基于热网络模型,计算了流速对脉冲功率电源发热部件温升特性的影响。当冷却水流量为5L/min时,放电结束后,脉冲电感温升累积降低至10.8K,脉冲晶闸管的温升累积降低至9.0K。设计了热管理系统的关键参数,计算了流体回路的压力损失并选取了合适参数的水泵提供压力,考核了储水箱温升、压强与形变,使脉冲功率电源能够满足重频运行需求。

关键词：脉冲晶闸管结温热网络模型热管理

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