碳化矽二極體限壓器的製作方法

2023-08-10 05:37:16 2

專利名稱：碳化矽二極體限壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括抑制瞬態電壓峰值在內對電路中電壓漂移的限 制，更準確地說，涉及對它們迅速地抑制。
背景技術：
'緩衝器，裝置被用在出現大的電壓峰值或者電壓'尖峰，可能 性的電路中，往往緊跟在該電路中被打開開關的後面，因為該電路中 的電感引起瞬態電壓峰值，即感應'衝擊，。這種電壓尖峰對於該開 關是有害的，因為當開關被打開時大電壓將跨過分開的開關觸點間的 間隔產生放電，導致這些觸點損壞，從而限制該開關的失效時間。
作為例子，圖1A表示一典型電路1的示意圖，其中功率流的發 生受到接通和斷開的支配。電路1包括被認為具有100pH代表電路的 寄生電感的電感器2,以及被認為在此大功率電路中具有0.03f2代表 電路電負荷值的電阻器3。此外，還提供有功率流控制開關4，當其 觸點被閉合時具有的電阻。所有上述元件被相互串聯連接，並 且跨過在其兩個端子之間提供25V電位的直流電壓源5。
對於該電路性能在其開關4被關閉至少足以使相關的瞬變消失之 後打開該開關4時的有效模擬，無法模擬出在打開該開關時跨過分開 理想的開關觸點之間間隔發生的實際》丈電，以表明該電路寄生現象 (parasitic)的全部效果。然而圖1B中的曲線圖所具有的上部曲線， 為具有用方塊標出的模擬數據點的模擬電壓對開關4打開的響應；且 其下部曲線，為具有用三角標出的模擬數據點的相應的電流響應，由 於伴隨有跨過該觸點分開的間隔的放電，所以兩者均不受任何影響。 不過上部的曲線表明其峰處的電壓響應大於35kV。這是一個大到足 以跨過打開的開關觸點之間的間隔引起弧光放電的峰值，如在打開典 型繼電器觸點時發生的那樣。儘管下部的曲線表明該電路的電流在此 切換事件之後下降至零，但在該電壓尖峰出現時該電路中仍然存在相 當大的電流，從而導致相應的電功率尖峰。跨過開關4不帶某種緩衝 器裝置，此瞬態電壓峰值和相關聯的弧光放電將損壞該開關的觸點，
以致減少其使用壽命。
過去，電感器和電容器的綜合體常被用在提供這種緩衝器裝置的 濾波器結構中。這些結構往往比較大。在這些應用中使用的可供替換 的裝置是齊納二極體和瞬態電壓幹擾抑制器或者傳輸吸收器
(transorbs),而且齊納二極體還被用作電路'箝位，，以將電路工 作電壓的漂移同樣限制在某個最大或最小值。雖然這些器件要比該濾 波器裝置小很多，但是這些器件的響應和額定功率使它們的適用性在 實際的功率控制電路中受到限制。因此，期望有一種適於載荷大功率 流的電路的緩沖器裝置，但其提供比較小規格的緩衝器，而且反應迅 速。

發明內容
本發明提供一種電壓漂移控制系統，用來限制電路中換而言之是 由響應該電路中的條件變化而跨在其中選用元件上出現的瞬態電壓峰 值，該系統具有多個碳化矽二極體模片，每個模片中具有陽極區和陰 極區，而且每個模片位於其空間系列中。每個這些碳化矽二極體模片， 通過導電金屬連接與該系列中的每個相鄰的模片互連，而使每個模片 的每個陰極區均朝向該系列一公共端。第一和第二導電電極中的每個 電極，通過導電金屬連接與該系列相反兩端的相應模片之一相互電連 接。與一模片的陽極區相互電連接的該電極，通過在該電極中提供的
其間具有間隔的一對延伸部之一淨皮如此相互連4妄，且該空間系列和剩 餘—電極位於該間隔中。 一 具有陰極區和陽極區的反向並聯的二極體模 片，其中該陰極區通過導電金屬連接與這對延伸部的剩餘一個相互電 連接，其中該陽極區通過導電金屬連接與第一和第二電極中的剩餘一 個電極相互電連接。


圖1A和1B分別表示一開關的瞬時開啟試驗電路的示意圖，以及 一具有電氣響應曲線的曲線圖2表示電器元件所具有的電流與電壓的關係曲線的曲線圖3表示具有體現本發明的改進的圖1A中電路的示意圖4表示擁有對圖3電路中開關的開啟的電氣響應曲線的曲線
圖5A,5B和5C分別表示分層圖和用於本發明的等效電路，以及 圖6A和6B分別表示一脈衝瞬變試驗電路的示意圖和擁有一電氣 響應曲線的曲線圖。
具體實施例方式
作為更加適合的電壓漂移控制電路的基礎，是通過使用高電壓的 碳化矽(SiC) p-i-n 二極體、具有本徵的或者位於二極體中p區和n 區之間的輕摻雜區的p-n結二極體提供的。用於緩衝器裝置的這種二 極管，必須被成形為能夠承栽所通過的大電流，以適應在大功率流電 路中控制功率流時發生的、在控制切換的過程中將作為限制電壓峰值 結果產生的大電流瞬變。此外，通過該二極體的這些大電流，希望與 跨過該二極體的實際正向電壓降相關聯，從而使比較少的這種二極體
能被串聯連接，以將該緩衝器的擊穿電壓設置在，適於其開關被提供 該緩衝器裝置所保護的功率電路的穩態操作期間所遇到的電壓水平。 其結果是，這些二極體也必須能夠經受其中出現大的電功率峰值，並 且將從此功率峰值得到的熱散發到周圍的環境中。二極體中的這種需 要，還可以出現在某些箝位電路裝置中而不是控制瞬態電壓峰值的大 小，在這種場合下，使用該電路時遇到的工作電壓幅度的漂移，被相 對於該電路中的某個電壓值(如電源電壓)或某個其它參考電壓(如 地電壓)加以限制。
可以製做具有非常適於滿足這些要求的特性的SiC p-i-n二極體。 圖2是具有可從Cree公司大批供應的10密爾厚度的碳化矽p-i-n 二極 管模片的電流與電壓特性關係的曲線圖，能夠承載高達50A之多的各 種正向電流值，其所具有的正向電壓Vf在2.8V和3.6V之間，取決於 其中通過的傳導電流的大小。低於2.8V時，圖2所示的二極體傳導 其50A的額定電流的小爿除額，即在2.5V下該二才及管傳導182.9,uA電 流。高於2.8V時，該二極體傳導的電流高達其50A之多的額定電流。
其額定電流為50A的該二極體，將能傳導50A的瞬時電流從中 通過。與傳導大電功率流用的電路中的切換相關聯的瞬變，具有非常 快的上升時間和非常短的持續時間。這種切換比較不經常發生，以致 其中存在的每個具有短的持續時間的切換比較少，從而導致有限的工
作溫度上升。因此在很多使用場合，該二極體可以是能夠控制更加大
幅度電流瞬變的，因為SiC是熱的極好導體，並且具有正的熱阻係數。 因此，與圖1A的電路1非常類似的電路10的示意圖，被表示在 圖3中，只不過在此插入其中的緩衝器裝置配備有10個串聯連接的SiC p-i-n二極體11,每個二極體實際上具有圖2所示的電流與電壓特性。 電路IO仍具有其值為100pH的寄生電感的電感器12,以及其值為 的負載電阻器13，它們被相互、並且與具有的觸點閉合電阻的 功率流控制開關14串聯連接在一起。所有這些串聯連接的元件，如 圖1電路中那樣跨過25V電位的直流電壓源15相連。
形成該緩衝器的10個串聯的二極體，作為一串聯的二極體串， 在其陽極端或與二極體的p-型導電區相連的一端，被連在寄生電感12 和功率控制開關14之間的接合處；該二極體串剩下的陰極端或與二 極管的n-型導電區相連的一端，被與地連接。如該二極體串那樣，另 一個單二極體16位於同樣兩個電路點之間，只不過與上述其它一些 二極體反向並聯，且其陽極與地連接，其陰極與電感12和開關14接 合處連接，以削去(clip off)切換開關4所產生的任何'瞬變，波形 的低值部分。
每個二極體的正向電壓Vf加在一起，以提供該緩衝器的擊穿電 壓，高於它時此串聯連接的二極體串11開始將顯著的電流通到地。 因此，對於具有至少2.8V正向電壓降Vf以載荷顯著電流的每個二極 管11,該二極體串所提供的10Vf=28V最小緩沖器擊穿電壓，對於載 荷顯著電流的二極體串必須超出DC電壓源15所提供的電位以超出的 值。因此，圖3的電路中並不具有穩態工作時足以使該二極體串載荷 顯著電流的足夠幅度的電壓，所以該電路工作在恰好像圖1的電路所 工作的那些情況下。
然而，在開關14關閉持久足以使關閉瞬變消失之後打開開關14 時，電感12周圍消失的磁場，將試圖跨過開關4打開的觸點和負載 電阻3產生大的電壓峰值。 一旦該電壓上升到超出該二極體串11的 擊穿電壓值時，它們就將能夠傳導大電流，從而保持跨過它上升的電 壓接近該擊穿電壓，因而對開關4打開的觸點間產生的電壓加以限制， 以防止其間發生弧光放電。在打開開關4時跨過電路10中開關4的 觸點的電壓降的模擬，被表示在圖4的曲線圖中，其上部的曲線仍為 電壓響應，該曲線中目前帶有模擬數據點用的三角，它表明峰值電壓
被限制在恰好35V，從而防止任何的弧光放電。下部的曲線仍為電流 響應，其中的數據點被表示為方塊，它表示該電路中的電流在打開的 開關4之後減少至零。
對於SiC p-i-n二極體中比較大的Vf值，僅要求IO個這樣的二極 管被串聯連接，以超過圖3的電路10中25V電位的電源15,而使該 電路恰好像圖1的電路1在穩態工作時那樣工作。換一種方式，假如 用於該緩衝器裝置的矽p-n結二極體僅具有0JV的正向電壓Vf，那 麼這樣的二極體串會要求串聯40個模片，組裝串聯連接的模片裝置 的費用要比其中具有10個模片的高很多。碳化矽材料還具有超過矽 材料的13:1功耗的優點,所以其模片可以小很多。此外，SiC還是非常 耐用的材料，因此牽涉到較高溫度的封裝技術可被使用，從而可將好 得多的模片連接提供給相應的器件外殼，由此產生的SiC二極體，可 提供比使用矽半導體材料更大的可靠性。
作為另一種使用，例如，如果10個二極體串中的6個二極體被 一短路的導電體取代，而且電感器12被一電阻值基本上與電阻器3 的阻值相匹配的電阻器取代，那麼該二極體串中剩餘的4個有效的二 極管會相對於地形成'箝位，電路。在開關14閉合的該電路工作期 間，跨在電阻器3上的電壓降將被限制在大約11.2V,而且由電源l5 所供給的剩餘電壓，在跨過取代電感器12的電阻器後下降；所有這 些總會發生，即便電源15的輸出電壓幅度隨時間變化，只要該電壓 幅度繼續為正的。這樣的二極體串也可被用在工作電壓幅度為正的或 者時間的負部分(negative part of the time )的電路中，並且通過適合 的電路變化，可相對於基準電壓而不是地提供對電路工作電壓的箝 位。
如同圖3中由串聯的二極體串11示意表示的緩衝器裝置的該電 壓漂移限制電路，被實現如圖5中所示。圖5A表示單獨的SiC p-i-n 二極體模片11的側視圖，其所具有的陽極p-型導電區位於其中豎直 中心處的虛線上方，且其陰極n-型導電區位於該虛線下方。本徵的或 者輕摻雜區域位於該虛線附近。
在圖5B的切開的分層圖中，10個SiC p- i-n二極體模片11,被 表示為每個模片均使用金和鍺的共晶合金與其相鄰的模片焊接的堆， 該焊料由88%的金和12%的鍺構成。此外，在該堆的頂部的模片11 中的陽極p-型導電區，類似地使用焊料17與'雙腿，上觸點18的上 腿焊接，而且該堆的底部的模片11中的陰極n-型導電區，被使用焊 料17與下觸點19焊接。反向並聯的二極體模片16,以其陽極p-型導 電區使用焊料17與底部觸點19焊接；並且以其陰極n-型導電區使用 焊料17與'雙腿，上觸點18的下腿焊接。上觸點18和下觸點19通 常皆由鍍金的銅製成。模片11和16以及觸點18和19的一部分，被 收容在適合的傳統電子器件外殼20中，觸點18和19的其它部分從 該外殼中引出，以在待使用的電路中提供相互連接。用於圖5B中裝 置的等效電路被表示在圖5C中，對於其外殼無任何表示。
用來從一脈沖發生器提供30V幅度的正的電壓脈衝給圖5B和5C 的緩衝器裝置的試驗電路，被表示在圖6A中。該緩衝器裝置與擁有 3.0Q電阻的負載電阻器21的串聯連接，被跨接在提供幅度為42.5V 的電壓脈衝的脈衝電壓源上。
用來將脈寬為100ns的這種電壓脈衝施加在該緩衝器裝置和負載 電阻上的結果，被表示為圖6B的曲線圖中所代表的曲線，其表示跨 過電阻器21得到的電壓。如在此可以看到的那樣，該電壓被施加在 第一列(the first course)的垂直虛線上，並且上升至12.5V,跨過該 電阻器以大約40ns的細垂直虛線的時間而產生該^c寬的上升時間，乂人 而跨過該緩衝器裝置在該點處留下約30V的電壓降。所施加的42.5V 脈衝在100ns處終止，而且跨過電阻器21的電壓，此後不久便隨著通 過它的電流下降至零而下降到零。因此，該緩衝器裝置能夠達到擊穿， 並且在非常短的時間40ns內傳導相當大的電流，從而能夠非常迅速地 將其限壓保護提供給任何跨過它相連接的開關，以防止該開關於其打 開時在其觸點之間發生弧光放電。
儘管在此所示的緩沖器裝置實例是以10個二極體模片形成的堆 為基礎的，其將對開關電路中所施加的高於28至30V到大約不超過 跨接電壓的電壓箝位。然而在被焊接的二極體系列中也可以提供任意 數量的二極體模片，以相應的提供所希望的鉗位電壓值。例如，5個 二極體模片形成的堆會將開關電路中施加的電壓箝位在14至15V的 範圍內，以將其限制在這些值附近。
這種緩衝器裝置所固有的模件性(modularity)，還允許用戶很容 易地安排每個只能將所跨接的電壓限制在僅小於所需要的值的這種緩 衝器，使其跨過該開關電路被保護的元件相互串聯連接，以將所跨接 的電壓限制為等於每個被串聯連接的緩衝器裝置的限壓值之和的更大 值。並且，具有類似限壓能力的每個這種緩衝器裝置，在某些情況下 為了更大的電流和功率應對能力，實際上跨過開關電路中被保護的元 件可以糹皮相互並聯連接，以適應更大的電流瞬變。
雖然本發明已經參照優選實施例進行了描述，不過本領域的技術 人員將會認識到，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，可以從形式 和細節上進^f於改變。
權利要求
1.一種電壓漂移控制系統，用來限制電路中換而言之是由響應該電路中的條件變化而跨過其中選用的元件出現的瞬態電壓峰值，該系統包括多個碳化矽二極體模片，每個模片中具有陽極區和陰極區，而且位於這種被互連接的每個模片的空間系列中的每個模片，通過導電金屬連接與該系列中的每個相鄰模片互連，而使每個模片的每個陰極區均朝向該系列一公共端，以及第一和第二個導電電極，其中每個電極通過導電金屬連接與該系列相反兩端的相應模片之一相互電連接。
2. 根據權利要求1的系統，其中該導電金屬連接系由金-鍺合金形成。
3. 根據權利要求1的系統，其中與一模片的陽極區相互電連接 的第一和第二電極之一，通過在該電極中提供的其間具有間隔的一對 延伸部之一被如此相互連接，且該空間系列和剩餘電極位於該間隔 中；並且進一步包括一具有陰極區和陽極區的反向並聯的二極體模 片，且其陰極區通過導電金屬連接與這對延伸部的剩餘一個相互電連 接，而且其陽極區通過導電金屬連接與第一和第二電極中的剩餘一個 相互電連接。
4. 根據權利要求3的系統，其中該反向並聯的二極體模片是碳 化矽二極體模片。
5. 根據權利要求3的系統，其中該導電金屬連接系由金-鍺合金 形成。
6. 根據權利要求1的系統，其中第一和第二電極是跨過電路的 被選用元件被電連接的，且此被選用的元件包括電路開關。
7. 根據權利要求6的系統，其中與一模片的陽極區相互電連接 的第 一和第二電極之一 ，通過在該電極中提供的其間具有間隔的 一對 延伸部之一被如此相互連接，且該空間系列和剩餘電極位於該間隔 中；並且進一步包括一具有陰極區和陽極區的反向並聯的二極體模 片，且其陰極區通過導電金屬連接與這對延伸部的剩餘一個相互電連 接，而且其陽極區通過導電金屬連接與第一和第二電極中的剩餘一個 相互電連接。8.根據權利要求7的系統，其中該反向並聯的二極體模片是碳 化矽二極體模片。
全文摘要
一種電壓漂移控制系統，用來限制電路中換而言之是由響應該電路中的條件變化而跨過其中選用的元件出現的瞬態電壓峰值，其具有多個在一系列中被相互串聯連接的碳化矽二極體模片，而使每個模片的每個陰極區均朝向該系列一公共端。第一和第二個導電電極中的每個電極，與該系列相反兩端的相應模片之一相互電連接。
文檔編號G05F1/10GK101201637SQ200710199730
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月12日 優先權日2006年12月12日
發明者D·譚, T·A·赫特爾 申請人:普拉特及惠特尼火箭達因公司