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提高功率器件整体性能的研究

杨洪强  
【摘要】: 提高功率器件在耐压、比导通电阻和开关时间方面的整体性能,使之趋于理想的开关,是长期以来功率电子学研究的一个重要方向。不幸的是,功率器件的这三个主要性能指标,却受一定的关系制约,并不能同时得到提高。MOS和IGBT是栅控器件,具有控制简单的优点,是两类常用的功率器件。MOS器件的开关速度很快,但由于是多子导电,所以要做高压器件,比导通电阻就会变得很大。IGBT在耐压和比导通电阻方面均有不错的性能,但是由于关断主要靠载流子的复合,关断速度慢始终是一个问题。 为此,本文在充分了解功率器件发展现状,系统学习前人理论的基础上,提出了一系列的新思路和优化方案,目的在于同时提高功率器件的各项性能指标。 文章的主要工作是:对功率器件的发展现状进行系统了解;对SOI器件的主要特点进行简单分析;对叉指式CB结构进行优化设计;实现了三种用于可控制阳极短路IGBT的方法;对薄膜SOI耐压层进行了准确的解析设计。其中的独创性工作主要表现在: 1.叉指式CB结构的优化设计 关于复合缓冲结构(即CB结构),陈星弼早在1993年的专利文件中就有详细介绍[ChenX.B., 1993],并且在此后的研究中,提出了比较系统的理论[Chen X.B., 1998, 2000, 2001, 2002]。在这些理论的基础上,我们对复合缓冲结构的其中一种原胞形式——叉指式进行了优化分析。从电场分布着手,得到了基本结构的击穿电压和导通电阻的优化关系式。而后,提出了三种用于实现更优结果的解决方案,并给出了设计结果。该优化设计结果是目前叉指式CB结构的最优设计结果。 2.在半桥式功率输出级中实现高速低功耗低侧管[杨洪强, 2001] 在进行电子镇流器的研究过程中,我们根据半桥式功率输出级驱动信号的特点,提出:低侧输出管使用双栅控制的IGBT,并利用高侧驱动信号实现低侧IGBT的动态阳极短路控制。使得低侧管在导通时等同于普通的IGBT,而在关断过程中,由高侧信号实现阳极短路,使IGBT快速关断。这样,在不增加电路复杂度的前提下,实现了半桥式功率输出级中高速低功耗低侧管。研究表明,这种方案在提高IGBT的关断速度方面有很大的优越性,而且可用于电阻性、电感性和电容性负载的情形。同时,由于阳极短路结构的存在,使IGBT的击穿电压趋于PN结,提高了耐压。 WP=9 3.利用分压电阻实现IGBT的动态阳极短路[Yang Hong-qiang, 2002] 承接第四章的研究,我们发现,第四章的实现方法,只能用于特定的电路,有一定的局限性。如果在IGBT的阳极附近引入一个常开型PMOS结构,并且利用分压电阻提取阳极电压的变化产生控制信号,用于控制PMOS,就可以实现动态阳极短路控制。我们对这种方案进行了仔细分析,包括在设计工作条件和非设计工作条件下IGBT的性能,结果表明:该结构在两种情况下都能明显改善IGBT的关断、耐压性能。 4.利用电阻场板提高LIGBT性能[Yang Hong-qiang, 2002] 承接第五章的研究,我们考虑在LIGBT中引入电阻场板,利用电阻场板改善器件耐压的同时,从场板上提取信号,控制LIGBT的阳极短路,改进其关断性能。研究发现:由于SOI-LIGBT关断过程的特殊性,当SOI-LIGBT加上电阻场板后,即使没有可控制阳极短路结构,也能改善器件的关断性能;如果加上可控制阳极短路结构,则能更进一步提高器件关断性能和阻断电压。 5.具有电阻场板的薄膜SOI-LDMOS的解析设计 由于SMART-CUT SOI衬底的日益成熟,在SOI材料上制作功率集成电路变得比较容易。因为SMART-CUT SOI衬底同时具有SIMOX和SDB的优点,既能用于VLSI,又能用于功率器件。利用电阻场板实现高耐压SOI-LDMOS的方法虽然早已有人提出[T. Matsudai, 1992],但其解析设计理论却有待完善。经过分析,我们提出了一个准确完善的解析设计理论,包括电离率模型的建立,电场分布的分析,击穿电压的分析,电离率积分路径的解析及由此得到的击穿电压的修正。根据上述理论,我们设计出了不同材料参数下的器件,与模拟结果对比发现,设计理论十分准确。我们还把利用电阻场板实现的高耐压,低功耗LDMOS与利用别的方法实现的SOI-LDMOS作了对比,结果显示,这种方法设计出的器件具有几乎最高的耐压和小很多的比导通电阻,是一种很好的实现方法。


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