電源適配器功率器件和基礎電路

功率電源適配器半導體技術的發展

  本節概述了各種功率電源適配器半導體器件與功率集成電路的現狀和較新發展動向,從新結構?新材料等方面展望了功率電源適配器半導體技術向著高頻?高溫?高壓?大功率及智能化?系統化方向發展。

電源適配器功率二極管

      電源適配器功率二極管是功率電源適配器半導體器件的重要分支?目前,商業化的功率二極管有PIN功率二極管和肖特基勢壘功率二極管(SBD)?前者有著耐高壓?大電流?低泄漏電流和低導通損耗的優點,但電導調制效應在漂移區中產生的大量少數載流子和較低的關斷速度,限制了該器件向高頻化方向發展?

      具有多數載流子特性的肖特基勢壘電源適配器功率二極管有著極高的開關頻率,但其串聯的漂移區電阻有著與器件耐壓成2.5次方的矛盾關系,阻礙了肖特基勢壘功率二極管的高壓大電流應用,加之肖特基勢壘功率二極管極差的高溫持性?大的泄漏電流和軟擊穿特性,使得硅肖特基勢壘功率二極管通常只工作在200V以下的電壓范圍內?

      為了獲取高壓?高頻功率二極管,研究人員正在兩個方向進行探索:一是采用新材料研制肖特基勢壘功率二極管(包括SBD的改進型器件,如JBS等);二是沿用成熟的硅基器件(超大規模集成電路)工藝,通過新理論?新結構來改善高壓二極管中導通損耗與開關頻率間的矛盾關系?

       砷化鎵(GaAs)肖特基勢壘功率二極管雖然已經獲得大量應用,但其1.42eV的禁帶寬度和僅1.5倍于硅材料的臨界擊穿電場,使得GaAs肖特基勢壘電源適配器功率二極管也只能用在600V以下的電壓范圍內,遠遠不能滿足現代電力電子技術的發展需要?碳化硅(SiC)材料以其寬的禁帶寬度(2.2~3.2eV)?高的臨界擊穿電場(2×105~4×106V/cm)?快的飽和速度(2×107cm/s)?高的熱導率r(4.9W/cm2·K)?高硬度?強抗化學腐蝕性和可與Si相比的遷移率特性,以及其較為成熟的材料制備和制作工藝,使得SC材料成為目前發展較快的寬帶電源適配器半導體材料和功率電源適配器半導體器件的研究熱點?

        在由美國海軍資助的MURI項目中,普渡( Purdue)大學于1999年研制成功4900V的SiC肖特基勢壘功率二極管?

       2000年5月25日,美國CREE公司與日本關西電力公司( Kepco)聯合宣布了他們研制成功世界上第一只超過12kV的SiC二極管?這只耐壓高達12.3kV的二極管,正向壓降在電流密度為100A/cm2時僅為4.9V?在硅基功率二極管方面,結合PN結低導通損耗?優良的阻斷特性和肖特基勢壘二極管高頻率特性兩者優點于一體的JBS?MPS?TMBS?TMPS等新器件正逐漸走向成熟?此外,為開發具有良好高頻特性和優良導通特性的高壓快恢復二極管,許多通過控制正向導通時漂移區少數載流子濃度與分布的新結構,如SSD?SPEED?SFD?ESD?BJD等也不斷出現?

      美國國防大學工程中心電力電子系統中心(CPES)研究的MOS控制二極管( MOS Controlled diode-mcd),通過單片集成的MOSFET控制PIN二極管的注入效率,使MCD正向導通時既能有PIN二極管的大注入效應,在關斷時又處于低的甚至零過剩載流子存儲狀態全新的角度提出了改善電源適配器高壓二極管中導通損耗與電源適配器開關頻率間矛盾關系的新方法。