超结VDMOS体二极管反向恢复鲁棒性研究及优化

摘要

超结垂直扩散金属氧化物半导体型场效应晶体管(Vertical-Diffused Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,VDMOS)导通电阻低、开关速度快、耐压效率高，在以电动汽车充电桩为代表的电力电子领域具有非常广阔的应用前景。电动汽车充电桩中所采用的桥式逆变电路要求超结VDMOS器件具备非常高的体二极管反向恢复鲁棒性。国内外关于超结VDMOS体二极管反向恢复的研究主要是从电路层面改善反向恢复特性，对于改善超结VDMOS器件自身体二极管反向恢复鲁棒性的研究很少，因此研究并提高超结VDMOS体二极管反向恢复鲁棒性具有重大意义。
　　本文根据超结VDMOS体二极管反向恢复基本理论搭建测试与仿真平台。实测结果显示反向恢复过程中的电流变化率di/dt是影响超结VDMOS体二极管反向恢复失效的主要因素，且超结VDMOS体二极管反向恢复失效位于终端区。仿真结果显示超结VDMOS体二极管反向恢复过程中元胞区抽取过剩载流子速率远远超过终端区，进而终端区出现电流尖峰，导致终端区表面电场升高并引发动态雪崩，且di/dt越大，动态雪崩越严重。本文提出了一种动态场限环终端结构，能够有效抑制体二极管反向恢复过程中的电场尖峰，进而抑制动态雪崩，在保证超结VDMOS器件其他参数性能的基础上，提高了其体二极管反向恢复的鲁棒性。
　　本文所提出并设计的超结VDMOS动态场限环终端结构基于650V深沟槽刻蚀工艺进行流片，测试结果显示，超结VDMOS体二极管反向恢复极限di/dt能力从72A/μs提高到320A/μs，其体二极管反向恢复鲁棒性提高了3.2倍，达到设计指标要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．1．1 单项全桥三电平逆变电路工作原理

1．1．2 超结VDMOS器件在充电桩单项全桥三电平逆变电路中的应用优势

1．1．3 单项全桥三电平逆变电路中超结VDMOS体二极管反向恢复问题

1．2 超结VDMOS器件体二极管反向恢复研究现状

1．3 论文主要工作与设计指标

1．3．1 论文主要工作

1．3．2 设计指标

1．4 论文结构与安排

第二章 超结VDMOS体二极管反向恢复基础理论及研究平台搭建

2．1 超结VDMOS器件及其体二极管结构

2．1．1 超结VDMOS器件结构

2．1．2 超结VDMOS体二极管结构

2．2 超结VDMOS体二极管反向恢复基础理论

2．2．1 感性钳位系统工作原理

2．2．2 体二极管反向恢复原理及其影响因素

2．3 超结VDMOS体二极管反向恢复测试及仿真平台

2．3．1 测试平台

2．3．2 仿真平台

2．4 本章小结

第三章 超结VDMOS体二极管反向恢复鲁棒性研究

3．1 超结VDMOS体二极管反向恢复测试

3．1．1 超结VDMOS体二极管反向恢复负载电压测试

3．1．2 超结VDMOS体二极管反向恢复负载电流测试

3．1．3 超结VDMOS体二极管反向恢复电流变化率测试

3．2超结VDMOS体二极管反向恢复失效机理研究

3．2．1 超结VDMOS体二极管反向恢复失效定位

3．2．2 超结VDMOS体二极管反向恢复失效分析

3．3 正向续流时间对超结VDMOS体二极管反向恢复鲁棒性的影响

3．4 本章小结

第四章 超结VDMOS体二极管反向恢复鲁棒性优化

4．1 新型动态场限环结构设计

4．2 新型动态场限环结构对器件静态参数的影响

4．3 带新型动态场限环结构的超结VDMOS反向恢复仿真结果

4．4 带新型动态场限环结构的超结VDMOS器件的流片及测试结果

4．4．1 动态场限环超结VDMOS工艺流程

4．4．2 动态场限环超结VDMOS器件的实测结果

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的成果和发表的论文