探索非對稱結(jié)構(gòu)減少半導體器件中的應力

電子產(chǎn)品廣泛使用半導體器件，這些器件負責改變電源、通信和處理信號。然而，諸如熱量、高電壓、高電流或頻率變化等壓力因素會影響器件的性能、可靠性和效率。因此，開發(fā)能夠抵抗這些壓力的半導體器件顯得尤為重要。一種有效減少壓力的方法是采用不對稱結(jié)構(gòu)，比如三相電流源整流器(CSR)。

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CSR是一種能夠?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電的電力轉(zhuǎn)換器，具備降壓功能。它通過在三個橋臂上各設置兩個開關(guān)來實現(xiàn)，每個開關(guān)由一個晶體管和一個二極管組成。通過改變CSR的輸入或輸出端子，可以形成不對稱結(jié)構(gòu)，從而減少開關(guān)上的電壓和電流負荷。

下面介紹一種新型的具有不對稱結(jié)構(gòu)的三相CSR，并比較它與傳統(tǒng)CSR的不同之處，包括在功率損耗、輸出濾波器、電壓和電流應力方面的優(yōu)勢和劣勢。

在提出的CSR中，雖然器件數(shù)量與傳統(tǒng)CSR相同，但其上臂和下臂之間的連接方式不同。這種不對稱的連接方式使得輸出端子與輸入端子不同，具體表現(xiàn)在上臂的二極管和晶體管之間的連接。這種新結(jié)構(gòu)導致電流路徑發(fā)生了微小的變化。

控制CSR的一種簡單方法是采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)，這也是提出的CSR調(diào)制方案的基礎。通過使用兩個活動向量和一個零向量，可以實現(xiàn)輸入?yún)⒖茧娏骺臻g矢量的調(diào)制，這些向量通過不同的開關(guān)狀態(tài)來選擇。

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使用不對稱結(jié)構(gòu)的CSR可以減輕半導體器件的壓力，這種壓力包括電壓應力和電流應力，它們會根據(jù)CSR的工作狀態(tài)和切換時機而變化。

提出的CSR相比傳統(tǒng)CSR在開關(guān)損耗上略有增加，因為每個開關(guān)周期都會有額外的開通和關(guān)閉動作。然而，由于一半的晶體管承受的電壓和電流應力較小，其傳導損耗顯著降低。這意味著提出的CSR在調(diào)制指數(shù)較低和續(xù)流時間較長時，性能優(yōu)于傳統(tǒng)CSR。

另一個優(yōu)點是，提出的CSR可以使輸出濾波器更小，因為它具有更小的輸出紋波電壓，這得益于多個自由輪道的設計。因此，提出的CSR不僅使系統(tǒng)更加強大，而且更經(jīng)濟。

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iDEAL的SuperQ技術(shù)具有非對稱結(jié)構(gòu)。

iDEAL Semiconductor 推出的 SuperQ 技術(shù)，是在討論功率器件架構(gòu)新方法時提到的一種非對稱CSR系統(tǒng)的典型例子。這項技術(shù)雖然主要采用硅材料，但同樣適用于碳化硅和氮化鎵等其他半導體材料。SuperQ的一個突出特點是它的不對稱、電荷平衡結(jié)構(gòu)，這一設計相較于傳統(tǒng)的超級結(jié)器件，有助于提升摻雜水平、減薄外延區(qū)域并擴大導電面積。

這種獨特的結(jié)構(gòu)設計讓SuperQ在多個方面都顯著優(yōu)于市面上的現(xiàn)有產(chǎn)品，尤其是在60V到850V的電壓范圍內(nèi)，它能夠降低電阻和減少開關(guān)損耗。此外，SuperQ的生產(chǎn)過程采用了類似CMOS的簡化工藝，適用于200毫米和300毫米的晶圓，使得選用的封裝器件具有業(yè)內(nèi)最低的電阻。

考察SuperQ對電力行業(yè)可能帶來的影響，很清楚這項技術(shù)能夠帶來顯著的好處。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，與市場上的主要競爭產(chǎn)品相比，SuperQ能夠?qū)崿F(xiàn)高達50%的電阻降低和70%的開關(guān)損耗減少。這些改進不僅能提升電力系統(tǒng)的效率、可靠性和熱性能，還能簡化電力設備的生產(chǎn)和封裝過程，有望降低成本。

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值得一提的是，SuperQ技術(shù)已經(jīng)從理論走向?qū)嵺`，iDEAL Semiconductor已經(jīng)在不同的測試條件和應用場景中成功演示了這項技術(shù)。通過一些實例，如采用TO-247封裝的650V/20A器件的電阻僅為6mΩ，以及在D2PAK封裝中100V/100A器件的電阻僅為0.8mΩ，展示了其強大的性能。

SuperQ在功率器件領(lǐng)域取得的進步不僅提升了性能，還有潛在的成本節(jié)約，同時也展現(xiàn)了其對不同半導體材料的適應性。

這些令人鼓舞的進展預示著它可能對行業(yè)產(chǎn)生重塑作用，并且符合創(chuàng)新的三階段企業(yè)社會責任策略。盡管SuperQ和非對稱CSR都展現(xiàn)出巨大的潛力，但進行更多的獨立評估和實際應用測試對于全面評估它們對功率器件領(lǐng)域的影響至關(guān)重要。