工業(yè)應(yīng)用中使用的晶閘管的損失是設(shè)計(jì)此類驅(qū)動(dòng)器的重要因素。此外，長期穩(wěn)定性和激增電流能力也是必須考慮的關(guān)鍵問題。如今，在這種應(yīng)用中，晶閘管的阻塞電壓通常為7 kV至8 kV，這有助于減少中型電壓（MV）驅(qū)動(dòng)器的串行設(shè)備數(shù)量。

為了滿足工業(yè)應(yīng)用的這些需求，Infineon Technologies雙極引入了新的8.5 kV晶閘管，在狀態(tài)下?lián)p失低，并且在TVJ = 125°C時(shí)具有高阻滯能力。硅設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及諸如低溫?zé)Y(jié)（LTS）和電活性無定形碳鈍化（AC：H）之類的良好過程來實(shí)現(xiàn)這種性能。同樣，阻塞電壓的定義是根據(jù)應(yīng)用程序需求量身定制的。低損耗晶閘管具有150毫米（6英寸）的硅直徑，其包裝中的出色參數(shù)為135毫米極塊直徑（見圖1）。這種新的晶閘管具有與已經(jīng)為HVDC開發(fā)的現(xiàn)有9.5 kV 6英寸晶閘管的優(yōu)勢[1，2]。大直徑可以在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)較小的尺寸，例如100毫米（4英寸）和125毫米（5英寸）。

新的8.5 kV 6英寸的電觸發(fā)晶閘管，帶135毫米桿

圖1：新的8.5 kV 6英寸電觸發(fā)晶閘管，帶135毫米桿

LTS的新晶閘管概念

LTS技術(shù)基于擴(kuò)散焊接的概念，并形成了整個(gè)區(qū)域硅和鉬載體之間的固體冶金過渡（參見圖2A中的LTS層）。與圖2B所示的自由浮動(dòng)組件（FF）的硅和鉬之間的干界面相反，LTS設(shè)計(jì)的熱電阻顯著較低。此外，在具有雙側(cè)負(fù)斜角和兩個(gè)Mo-Contact圓盤的FF組裝的突出連接終止區(qū)域之間沒有直接的熱耦合。這可能會(huì)限制在非常高的周期性阻斷電壓VRRM和VDRM處的工作溫度。

圖2A：LTS設(shè)計(jì)和截止點(diǎn)負(fù)陽性斜角的橫截面

FF設(shè)計(jì)和雙側(cè)負(fù)斜角的橫截面

圖2B：FF設(shè)計(jì)和雙側(cè)負(fù)斜角的橫截面

基于現(xiàn)有4英寸設(shè)備的LTS和FF設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)的比較

表1：基于現(xiàn)有4英寸設(shè)備的LTS和FF設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)的比較[3，4]

結(jié)果，LTS設(shè)計(jì)的較高散熱導(dǎo)致更高的工作溫度高達(dá)125°C。這對(duì)關(guān)鍵晶閘管參數(shù)沒有負(fù)面影響，例如電流電流或長期阻塞電壓穩(wěn)定性和周期性阻斷電壓能力。通過LTS，高反向電流流動(dòng)期間的功率損失，尤其是在交界處終止中，已經(jīng)充分消散。

據(jù)報(bào)道，的周期性阻斷電壓VRRM和VDRM可以進(jìn)一步增加15-20％，而不會(huì)增加硅晶片厚度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60747-6）對(duì)遭受定期電壓應(yīng)力的晶桿進(jìn)行了測試[2]。典型的電流和電壓特性如圖3所示。將TP = 10 ms的半正弦施加，幅度等于工作電壓VRWM。在TP = 300 ?s的較短時(shí)期，這種基本正弦波被激增電壓VRRM疊加，并具有較高的振幅。在此設(shè)置中，阻止電流可以在非常高的電壓VDRM和VRRM處達(dá)到幾個(gè)AMP的值。

通過引入此脈沖峰值測試概念，可以進(jìn)行兩個(gè)改進(jìn)選項(xiàng)：

硅厚度保持恒定，即與現(xiàn)有的晶閘管相同，并且VDRM/VRRM增加。這導(dǎo)致串聯(lián)連接的設(shè)備和相應(yīng)組件的數(shù)量顯著減少，但沒有增加州的損失。

與現(xiàn)有的晶閘管相比，硅厚度降低，VDRM/VRRM保持恒定，但單晶狀體的狀態(tài)電壓下降VT顯著降低。

對(duì)于本文描述的新的低損失概念，已選擇第二種選擇將硅厚度降低6％，以便達(dá)到明顯較低的狀態(tài)電壓下降VT和動(dòng)態(tài)損失，但對(duì)阻斷功能沒有負(fù)面影響。

設(shè)備性能

圖3描述了典型的新型低損耗6英寸設(shè)備的周期性阻塞測試，該設(shè)備在VRRM = 8.5 kV且F = 50 Hz處受到周期性電壓應(yīng)力。分別在四個(gè)溫度，25°C，90°C，115°C和125°C下測試了記錄的阻塞電壓和泄漏電流波形。通常，按照不同制造商的建議，所應(yīng)用的工作電壓VRWM為峰值電壓VRRM的60％至80％[2，5]。使用新概念，所選的VRWM大約是重復(fù)峰值反向阻斷電壓VRRM的90％。

使用半正弦波VRWM = 7.5 kV疊加到電涌電壓至VRRM = 8.5 kV（tp = 300 ?s），在不同的工作溫度下的周期性阻塞電壓和電流

圖3：使用半正弦波VRWM = 7.5 kV疊加到電涌電壓至VRRM = 8.5 kV（TP = 300 ?S），在不同的工作溫度下進(jìn)行周期性阻塞電壓和電流

在圖4中顯示了針對(duì)溫度行為的典型泄漏電流集。在此測試中，新的8.5 kV低損耗裝置的阻塞性能對(duì)于高達(dá)125°C的連接溫度和50 Hz的頻率被證明。

使用半正弦波（VRWM，VDWM = 8.5 kV，tp = 10 ms）測試的泄漏電流與工作溫度來自周期性阻塞電壓測試

圖4：使用半正弦波（VRWM，VDWM = 8.5 kV，tp = 10 ms）測試的泄漏電流與工作溫度。

此外，圖5中證明了峰值電壓阻滯性能。該設(shè)備在125°C下的功能高達(dá)9.5 kV峰阻滯電壓。該數(shù)據(jù)突出了新設(shè)計(jì)的阻塞余量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)十年的長期阻塞穩(wěn)定性。該邊距的關(guān)鍵技術(shù)是使用電活性AC：H層的LTS加入過程和斜面鈍化過程。

使用半正弦波VRWM = 7.5 kV，在不同溫度和電涌電壓下（TP = 300 ?s）處的脈沖峰值測試（單脈沖）的泄漏電流與阻斷電壓

圖5：使用半正弦波VRWM = 7.5 kV，在不同溫度和潮流電壓下（TP = 300 ?s）處的脈沖峰值測試（單脈沖）的泄漏電流與阻斷電壓

新設(shè)備不僅顯示出出色的阻塞能力，而且晶閘管的損失也大大減少了。在圖6中，顯示了150毫米硅直徑的損失的減少，相當(dāng)于切換損耗降低約30％。與當(dāng)前的設(shè)計(jì)相比，減少的損失是由恢復(fù)電荷QR引起的，在同一狀態(tài)電壓VT處。

現(xiàn)有和新的低損耗的QR與VT，在工作溫度為125°C下的8.5 kV 4英寸晶閘管，使用IT = 3 ka，di/dt = -1.5 A/S，源自一些經(jīng)過測試的設(shè)備，VR = -100 V -100 V

圖6：在工作溫度為125°C下的現(xiàn)有和新的低損耗8.5 kV 4英寸晶圓的現(xiàn)有和新的低損耗的QR與Vt

在圖7中，顯示了新的低損耗晶閘管的計(jì)算數(shù)據(jù)，其直徑為100 mm。對(duì)于定義的條件，它= 1.5 ka，di/dt = -1.5 A/?S，VR = -100 V，該較小設(shè)備的阻斷功能的性能與150 mm硅直徑設(shè)備一樣高。

使用定義的條件使用100毫米極片的反恢復(fù)電荷QR和狀態(tài)電壓下降VT之間的折衷權(quán)衡：IT = 1.5 ka，di/dt = -1.5 a/s，vr = -100 v = -100 v-100 v

圖7：使用定義的條件使用100毫米極片的反向回收電荷QR QR和狀態(tài)電壓下降VT之間進(jìn)行了計(jì)算的權(quán)衡：IT = 1.5 ka，di/di/dt = -1.5 a/s，s，vr = -100 V -100 V