探索非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)減少半導(dǎo)體器件中的應(yīng)力

電子產(chǎn)品廣泛使用半導(dǎo)體器件，這些器件負(fù)責(zé)改變電源、通信和處理信號(hào)。然而，諸如熱量、高電壓、高電流或頻率變化等壓力因素會(huì)影響器件的性能、可靠性和效率。因此，開(kāi)發(fā)能夠抵抗這些壓力的半導(dǎo)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(duì)稱(chēng)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(guò)在三個(gè)橋臂上各設(shè)置兩個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)由一個(gè)晶體管和一個(gè)二極管組成。通過(guò)改變CSR的輸入或輸出端子，可以形成不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，從而減少開(kāi)關(guān)上的電壓和電流負(fù)荷。

下面介紹一種新型的具有不對(duì)稱(chēng)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(yīng)力方面的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

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(duì)稱(chēng)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(dǎo)致電流路徑發(fā)生了微小的變化。

控制CSR的一種簡(jiǎn)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(chǔ)。通過(guò)使用兩個(gè)活動(dòng)向量和一個(gè)零向量，可以實(shí)現(xiàn)輸入?yún)⒖茧娏骺臻g矢量的調(diào)制，這些向量通過(guò)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)選擇。

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使用不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的CSR可以減輕半導(dǎo)體器件的壓力，這種壓力包括電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，它們會(huì)根據(jù)CSR的工作狀態(tài)和切換時(shí)機(jī)而變化。

提出的CSR相比傳統(tǒng)CSR在開(kāi)關(guān)損耗上略有增加，因?yàn)槊總€(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì)有額外的開(kāi)通和關(guān)閉動(dòng)作。然而，由于一半的晶體管承受的電壓和電流應(yīng)力較小，其傳導(dǎo)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(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)CSR。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，提出的CSR可以使輸出濾波器更小，因?yàn)樗哂懈〉妮敵黾y波電壓，這得益于多個(gè)自由輪道的設(shè)計(jì)。因此，提出的CSR不僅使系統(tǒng)更加強(qiáng)大，而且更經(jīng)濟(jì)。

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iDEAL的SuperQ技術(shù)具有非對(duì)稱(chēng)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(shí)提到的一種非對(duì)稱(chēng)CSR系統(tǒng)的典型例子。這項(xiàng)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(dǎo)體材料。SuperQ的一個(gè)突出特點(diǎn)是它的不對(duì)稱(chēng)、電荷平衡結(jié)構(gòu)，這一設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)的超級(jí)結(jié)器件，有助于提升摻雜水平、減薄外延區(qū)域并擴(kuò)大導(dǎo)電面積。

這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓SuperQ在多個(gè)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(kāi)關(guān)損耗。此外，SuperQ的生產(chǎn)過(guò)程采用了類(lèi)似CMOS的簡(jiǎn)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(duì)電力行業(yè)可能帶來(lái)的影響，很清楚這項(xiàng)技術(shù)能夠帶來(lái)顯著的好處。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，與市場(chǎng)上的主要競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，SuperQ能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)50%的電阻降低和70%的開(kāi)關(guān)損耗減少。這些改進(jìn)不僅能提升電力系統(tǒng)的效率、可靠性和熱性能，還能簡(jiǎn)化電力設(shè)備的生產(chǎn)和封裝過(guò)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(cè)試條件和應(yīng)用場(chǎng)景中成功演示了這項(xiàng)技術(shù)。通過(guò)一些實(shí)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(qiáng)大的性能。

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

這些令人鼓舞的進(jìn)展預(yù)示著它可能對(duì)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(huì)責(zé)任策略。盡管SuperQ和非對(duì)稱(chēng)CSR都展現(xiàn)出巨大的潛力，但進(jìn)行更多的獨(dú)立評(píng)估和實(shí)際應(yīng)用測(cè)試對(duì)于全面評(píng)估它們對(duì)功率器件領(lǐng)域的影響至關(guān)重要。