光伏逆變器用大功率開關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)*

李媛，陸曉東，周濤

光伏逆變器用大功率開關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)*

李媛，陸曉東，周濤

（渤海大學(xué)新能源學(xué)院，錦州121013）

集電極峰值電流（ICM）、集電極-發(fā)射極擊穿電壓（VCEO）、最大耗散功率（PCM）、直流二次擊穿臨界電壓（VSB）是衡量大功率晶體管可靠性優(yōu)劣的重要指標(biāo)。根據(jù)光伏逆變器實(shí)際參數(shù)指標(biāo)的要求，對(duì)光伏逆變器中的核心功率開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)大電流特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)大功率開關(guān)晶體管高阻單晶硅電阻率、高阻集電區(qū)厚度、發(fā)射區(qū)版圖及用于改善二次擊穿的浮空發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。最終完成800V/15A大功率開關(guān)晶體管全套結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并提供了可供大功率晶體管設(shè)計(jì)使用的曲線和圖表。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：對(duì)大功率開關(guān)晶體管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需著重考慮大功率開關(guān)晶體管在大電流、高反壓、高頻等工作狀態(tài)下，極易出現(xiàn)的發(fā)射極電流過度集中導(dǎo)致器件損壞的現(xiàn)象。

大功率；集電極峰值電流；飽和壓降；擊穿電壓；二次擊穿

1 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源短缺現(xiàn)狀越來越受到人們關(guān)注。太陽能得到迅速發(fā)展，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的逆變器，作為太陽能發(fā)電的核心設(shè)備，得到廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)逆變器的效率、諧波等性能指標(biāo)的要求越來越高。硅基大功率開關(guān)晶體管因其集大功率、高耐壓、高頻、寬安全工作區(qū)、極易制備等特性于一身，是較理想的半導(dǎo)體大功率開關(guān)器件，有著廣闊的應(yīng)用前景。廣泛應(yīng)用于電機(jī)變頻器、光伏發(fā)電逆變器、高頻電焊機(jī)逆變器，以及輕型交直流輸電、航空、艦船、海洋工程等領(lǐng)域[1]。

2 大功率開關(guān)晶體管電學(xué)參數(shù)要求

大功率開關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)完全依據(jù)光伏逆變器實(shí)際參數(shù)的要求。光伏逆變器有如下性能參數(shù)：

(1)額定功率：3kW；過載能力：150%

(2)輸入電壓范圍：DC300～600V

(3)額定輸出電壓：AC220V/50Hz

(4)額定轉(zhuǎn)換效率：＞94%

(5)輸出總諧波失真：THD＜5%

(6)隔離方式：無變壓器，非隔離方式

(7)保護(hù)功能：過壓、欠壓、過流、短路、過熱保護(hù)

逆變器主電路如圖1所示[2]，它采用的是全橋逆變電路，又稱H橋電路。

圖1 光伏逆變器主電路

從H橋電路的結(jié)構(gòu)及前面的分析可知，大功率開關(guān)晶體管承受的最大電壓即為電源電壓 Vd。按上述的逆變器參數(shù)指標(biāo)直流電壓最大值 Vdmax=600V，在大功率開關(guān)晶體管關(guān)斷過程中，由于線路當(dāng)中的雜散電感的影響會(huì)有關(guān)斷電壓，表示為[3]：

所以大功率開關(guān)晶體管承受的最大電壓為Vce= Vdmax+VLR。雖然 VLR無法測量，但是其電感反向電壓一般小于其電源電壓，所以我們對(duì)大功率開關(guān)晶體管的耐壓值留有余量，選用800V高反壓大功率開關(guān)晶體管。

已知輸入側(cè)最大支流電流也即為大功率開關(guān)晶體管的最大集電極電流 ICmax逆變器輸出額定功率為3kW，假設(shè)逆變器無損耗，則其輸入功率也為 Pin=3kW，所以當(dāng)輸入電壓最低時(shí)有最大輸入電流 ICmax=10A。為確保逆變器可靠工作，留有余量，選用ICmax大于15A的大功率開關(guān)晶體管。

綜上分析，所需設(shè)計(jì)的光伏逆變器用大功率開關(guān)晶體管的極限參數(shù)為：VCEO=800V，ICmax=15A。另外，為了提高光伏逆變器的工作效率，需要在滿足大功率開關(guān)晶體管擊穿電壓和最大集電極電流的基礎(chǔ)上，盡可能降低其自身的耗散功率，降低其通態(tài)導(dǎo)通壓降。由于大功率開關(guān)晶體管在光伏逆變器中使用時(shí)，工作于開關(guān)狀態(tài)，因此，需要提高其開關(guān)過程中的抗二次擊穿燒毀能力。同時(shí)需要兼顧及開關(guān)速率，提高其特征頻率。

3 大功率開關(guān)晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輸出特性研究

大功率開關(guān)晶體管的安全工作區(qū)范圍是衡量器件可靠性的重要指標(biāo)。它可分為直流安全工作區(qū)和脈沖安全工作區(qū)兩種類型。其中直流安全工作區(qū)是器件在實(shí)際使用過程中用戶經(jīng)常要參考的，且與脈沖安全工作區(qū)相比范圍要小。因此，為進(jìn)一步改善光伏逆變器用大功率開關(guān)晶體管的可靠性，需要對(duì)影響大功率開關(guān)晶體管直流安全工作區(qū)范圍的各因素進(jìn)行精細(xì)的研究。

大功率晶體管的直流安全工作區(qū)主要受到集電極-發(fā)射極擊穿電壓（VCEO）、集電極峰值電流（ICM） 、最大耗散功率（PCM） 、直流二次擊穿臨界電壓（VSB）等電參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)過程中需充分考慮二次擊穿導(dǎo)致的器件燒毀問題，留出充分的余量。

3.1 集-射擊穿電壓

大功率開關(guān)晶體管集-射擊穿電壓與集-基擊穿電壓之間的關(guān)系為[4]：

對(duì)于硅大功率開關(guān)晶體管，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取n=4較合適。

BVCBO實(shí)際上是在一定的 ICEO值下的擊穿電壓，略低于PN結(jié)的雪崩擊穿電壓 VB。單邊突變結(jié)的雪崩擊穿電壓可表示為[5]：

實(shí)際上，pn結(jié)的雪崩擊穿電壓不僅與單晶材料的電阻率有關(guān)，而且與單晶的制備方法及pn結(jié)本身的制備工藝有關(guān)。

圖2為計(jì)算得到的集電區(qū)厚度和原始單晶硅電阻率對(duì)大功率開關(guān)晶體管集-射擊穿電壓的影響。大功率開關(guān)晶體管發(fā)射區(qū)半寬度為100μm，高阻集電區(qū)厚度為100μm。大功率開關(guān)晶體管做單邊突變結(jié)近似。選擇四種不同的高阻集電區(qū)電阻率研究。高阻集電區(qū)電阻率分別選擇為 55Ω·cm、60Ω·cm、65Ω·cm、70Ω·cm。

由圖2可見：當(dāng)高阻集電區(qū)厚度選擇較厚（大于發(fā)生集-射擊穿時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)在集電區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展長度）時(shí)，大功率開關(guān)晶體管集-射擊穿電壓 VCEO受到高阻單晶硅（集電區(qū)）電阻率的影響。高阻集電區(qū)電阻率越高，集射擊穿電壓越高。根據(jù)光伏逆變器參數(shù)指標(biāo)要求，大功率開關(guān)晶體管的集-射擊穿電壓需大于900V，因此大功率開關(guān)晶體管高阻集電區(qū)電阻率需滿足大于65Ω·cm的條件。為了留有一定的余量，原始高阻單晶硅電阻率選擇應(yīng)為65～70Ω·cm。

圖2 原始單晶電阻率對(duì)大功率開關(guān)晶體管集-射擊穿電壓的影響

圖3 為計(jì)算得到的集電區(qū)厚度對(duì)大功率開關(guān)晶體管集-射擊穿電壓的影響。高阻單晶硅電阻率取為65Ω·cm。由圖3可見：當(dāng)高阻集電區(qū)厚度大于集射擊穿時(shí)集電結(jié)空間電荷區(qū)在集電區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展寬度時(shí)，隨著高阻集電區(qū)厚度的增大，大功率開關(guān)晶體管集-射擊穿電壓呈現(xiàn)增大的變化特點(diǎn)。同時(shí)，高阻集電區(qū)厚度越厚，集-射反向飽和電流值較小。表明高阻集電區(qū)厚度越厚，大功率晶體管越不容易發(fā)生穿通，反向飽和漏電流越小，器件性能越好。但相比于高阻集電區(qū)電阻率對(duì)集-射擊穿電壓的影響，高阻集電區(qū)厚度對(duì)集-射擊穿電壓的影響較小。因此，大功率開關(guān)晶體管高阻集電區(qū)厚度選擇范圍為80～110μm。

圖3 集電區(qū)厚度對(duì)大功率開關(guān)晶體管集射擊穿電壓的影響

3.2 飽和壓降

晶體管工作于放大工作區(qū)時(shí)，集電結(jié)處于反偏；當(dāng)晶體管集電結(jié)轉(zhuǎn)為正偏時(shí)晶體管工作在臨界飽和狀態(tài)。它的等效電阻為金屬電極的接觸電阻與未經(jīng)電導(dǎo)調(diào)制的集電區(qū)串聯(lián)電阻之和，晶體管上的電壓應(yīng)等于發(fā)射結(jié)電壓和集電區(qū)串聯(lián)電阻上的電壓之和，但由于集電極串聯(lián)電阻很大，可近似認(rèn)為集電區(qū)上的壓降與晶體管壓降相等[6]。但當(dāng)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)后，集電結(jié)處于正偏，將有大量空穴注入集電區(qū)內(nèi)，引起了高阻集電區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使集電區(qū)體電阻下降。集電區(qū)體電阻上的壓降減小，飽和壓降也減小，當(dāng)注入到集電區(qū)的空穴使全部高阻區(qū)都受到電導(dǎo)調(diào)制時(shí)，還會(huì)進(jìn)一步下降，進(jìn)入飽和區(qū)。假定晶體管處于準(zhǔn)飽和區(qū)，晶體管體壓降為集電極串聯(lián)電阻 RCS上的壓降。因此，集電區(qū)厚度的增大對(duì)集電區(qū)串聯(lián)電阻和大功率開關(guān)晶體管的飽和壓降影響較大。

由圖4可見：當(dāng)達(dá)到相同的集電極電流時(shí)，高阻集電區(qū)厚度越大，大功率開關(guān)晶體管飽和壓降就越大。所設(shè)計(jì)的大功率開關(guān)晶體管應(yīng)該采用高阻集電區(qū)的下限，即高阻集電區(qū)厚度選擇為80～85μm，此時(shí)仍能滿足大功率開關(guān)晶體管集-射擊穿電壓大于800V。

圖4 高阻集電區(qū)厚度對(duì)大功率開關(guān)晶體管飽和壓降的影響

3.3 最大集電極電流

大功率開關(guān)晶體管電參數(shù)指標(biāo)要求，集電極峰值電流需大于15A。述模擬為單元結(jié)構(gòu)器件的模擬，只考慮一個(gè)發(fā)射區(qū)。由圖4可知，當(dāng)大功率開關(guān)三極管飽和壓降為1V時(shí)，可得到的集電極電流為3A，欲得到15A以上的電流，需要并聯(lián)的發(fā)射極數(shù)量大于5個(gè)。為留有一定的余量，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)射極個(gè)數(shù)選擇為6個(gè)，如圖5所示（為放大圖）。每個(gè)并聯(lián)的發(fā)射區(qū)寬度均為200μm。

圖5 大功率開關(guān)三極管發(fā)射區(qū)版圖設(shè)計(jì)

3.4 二次擊穿臨界電壓

當(dāng)大功率開關(guān)晶體管的 VcCeE逐漸增大到某一數(shù)值時(shí)，集電極電流急劇上升，出現(xiàn)通常的雪崩擊穿，這個(gè)首先出現(xiàn)的擊穿現(xiàn)象稱為一次擊穿，見圖6。當(dāng)Vce進(jìn)一步增大，IC增大到某一臨界值時(shí)，晶體管上的壓降 Vce突然降低，電流仍繼續(xù)增大，這個(gè)現(xiàn)象稱為二次擊穿。在二次擊穿中，從高電壓低電流區(qū)急速過渡到低壓大電流區(qū)，出現(xiàn)明顯的負(fù)阻現(xiàn)象。二次擊穿是造成大功率開關(guān)晶體管在電感性負(fù)載電路和大電流開關(guān)電路中毀壞的重要原因。二次擊穿成為影響大功率開關(guān)晶體管安全使用和可靠性的一個(gè)重要因素，使大功率開關(guān)晶體管的使用電壓和功率受到很大限制。因此它是晶體管制造者和使用者十分關(guān)注的問題[7]。

圖6 大功率開關(guān)晶體管二次擊穿示意圖

上述設(shè)計(jì)的平面型大功率開關(guān)晶體管，較適合采用浮空發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)。由于大功率開關(guān)晶體管發(fā)射結(jié)較深（10μm），且浮空發(fā)射區(qū)與發(fā)射區(qū)是在同一步工藝中形成的，因此，為了減小大功率開關(guān)晶體管單元面積，應(yīng)盡可能減小浮空發(fā)射區(qū)擴(kuò)散（或注入）窗口尺寸。

上述設(shè)計(jì)的浮空發(fā)射區(qū)窗口尺寸為2μm，由于橫向擴(kuò)散，最終形成的浮空發(fā)射區(qū)橫向?qū)挾葹?5.4μm。當(dāng)浮空發(fā)射區(qū)與發(fā)射區(qū)邊緣間距較大（20μm）時(shí)，發(fā)射區(qū)邊緣出現(xiàn)電流集中，大功率開關(guān)晶體管過熱點(diǎn)出現(xiàn)在基極下方N-/N+處.此時(shí)，浮空發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)二次擊穿特性沒有改善作用，原因?yàn)椋寒?dāng)浮空發(fā)射區(qū)與發(fā)射區(qū)邊緣間距較大時(shí)，基極與發(fā)射區(qū)的間距亦較大，此時(shí)無源基區(qū)橫向電阻較大，導(dǎo)致在發(fā)射區(qū)邊緣部分發(fā)生電流集中。

隨著浮空發(fā)射區(qū)與發(fā)射區(qū)邊緣間距減小，浮空發(fā)射區(qū)對(duì)二次擊穿特性的改善得以體現(xiàn)。基極電流“繞過”浮空發(fā)射區(qū)，使得靠近發(fā)射邊緣的較大發(fā)射結(jié)面積充分導(dǎo)通。當(dāng)浮空發(fā)射區(qū)與發(fā)射區(qū)邊緣間距由17μm減小至6μm時(shí)，浮空發(fā)射區(qū)對(duì)二次擊穿特性改善的效果有小幅度提高。因此，為增強(qiáng)浮空發(fā)射區(qū)對(duì)二次擊穿特性的改善作用并減小大功率開關(guān)晶體管無源區(qū)域面積，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工藝條件，盡可能在版圖設(shè)計(jì)上減小浮空發(fā)射區(qū)與發(fā)射區(qū)的間距[8]。

4 結(jié)束語

根據(jù)光伏逆變器實(shí)際參數(shù)的要求，深入研究了光伏逆變器用大功率開關(guān)晶體管的設(shè)計(jì)，最終完成了800V/15A大功率開關(guān)晶體管全套結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并提供了供大功率晶體管設(shè)計(jì)的曲線和圖表。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：對(duì)大功率開關(guān)晶體管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需著重考慮大功率開關(guān)晶體管在大電流、高反壓、高頻的工作狀態(tài)下，極易出現(xiàn)的發(fā)射極電流過度集中而損壞器件的現(xiàn)象。

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The structure parameters designing of the high power switch transistor in the photovoltaic inverter

Li Yuan,Lu Xiaodong,Zhou Tao
(College of New Energy,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Peak collector current(ICM),collector to emitter breakdown voltage (VCEO),collector maximum power dissipation(PCM),and DC secondary breakdown threshold voltage (VSB)are important indexes of measuring high power transistor reliability.According to the requirement of the photovoltaic inverter actual parameters,the structure parameters of the core power switch devices in photovoltaic inverters is optimized.According to the characteristics of the large current,the analysis and design of high power switch transistorin is focusing on the high resistance monocrystal silicon resistivity,high resistance collector area thickness,emitter area layout and floating emitter area used to improve the secondary breakdown.Finally,the design of full structure parameters of 800V/15A power switch transistor is completed,and the curves and graphs are supplied to high power switch transistor design for use.The design results show that the structure designing of high power switch transistor needs to focus on the phenomenon that devices are liable to be damaged by excessive emitter current concentration under the working conditions such as large current,high reverse bias voltage and high frequency.

High power;Peak collector current;Saturation voltage drop;Breakdown voltage;Secondary breakdown

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.010

A

1002-2279-（2017）06-0042-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(No.11304020)

李媛(1981—),女,遼寧省盤錦市人，講師,主研方向：功率半導(dǎo)體器件和晶硅太陽能電池技術(shù)。

2017-10-31