啟動高電壓/高電流功率半導體 脈衝式電源效能步步高
本文說明了絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)、閘極關閉晶體閘流管(GTO)以及晶體閘流管等高功率半導體在脈衝式電源應用中的應用。為了達到所要求的功率水準，像是高功率半導體的堆疊，就需要能啟動高電壓、高電流的條件(圖1)。
圖1 高功率半導體的堆疊配置範例
透過本文將認識脈衝式電源系統中的各項高功率半導體應用，並針對IGBT、GTO、傳統晶體閘流管，或者以矽晶圓控制的整流器(SCR)等方式進行考慮。另外，還將介紹如何選取適當的裝置技術、裝置串聯/並聯、閘極驅動資訊，以及實際方法。
功率半導體類型介紹
自1990年代初期起，功率半導體早已使用在粒子物理、研究領域的脈衝式電源系統中。而近年隨著裝置技術發展，和產業界更深入了解脈衝條件下的裝置效能，使得商業應用越來越廣泛。舉例來說，以半導體為主而製做的各種元件，如雷射驅動裝置、臭氧產生器、紫外線殺菌，以及靜電集塵器等應用，已變成標準配備。
而半導體主要解決方案的原因，包括長期可靠度、使用過程不需要進行維護，以及整個產品使用壽命期間的系統成本。不過，使用半導體仍需克服困難，例如系統體積和重量、複雜性，以及不易取得相關的資訊。對此，本文希望能夠解決最後這一項問題。
目前市面上有各類型的半導體裝置和技術，而有許多產品特性非常適合脈衝式電源應用。然而，基本上最主要被使用於脈衝式電源的兩款產品，分別為晶體閘流管、電晶體。
表1對於目前市面上較為常見的一些技術做了簡要的總覽。
快速開啟晶體閘流管
廣泛使用的脈衝式電源之中的兩種晶體閘流管技術：快速開啟晶體閘流管、改良式閘極關閉晶體閘流管(可被稱為脈衝式晶體閘流管、快速高電流晶體閘流管)。快速開啟晶體閘流管可達到快速轉換效果，因為採用介數位化放大閘極，或者是使用非對稱式架構，藉由犧牲裝置的反向遮蔽作用，達到動態效能最佳化目的(圖2)。
圖2 快速開啟晶體閘流管晶圓
市面上快速開啟晶體閘流管的電壓額定值從1kV~6kV，而晶圓直徑最大可到100mm。以一般半導體裝置的物理特性，若是較大、高電壓的裝置，其開關的切換速度會比較小，也因此電壓較低的裝置會更為緩慢。最大型裝置承受超過最高脈衝電流100kA，當有適當冷卻還可容忍數千安培電流。
將快速開啟晶體閘流管使用於脈衝式電源的應用時，其限制因素通常是正向電流的上升速度(diF/dt)。當晶體閘流管達到負載電流前，會圍繞著閘極架構的周邊而開始被觸發，然後將電流分散到整個晶圓上。當diF/dt很高時，就會在接近閘極架構的位置形成極高的電流密度，若最極端情況下會導致裝置損壞。所以，現代高功率裝置會將重複切換時的極限值設定在1kA/μs左右；而在單脈衝的應用下則大約在2kA/μs。正因為diF/dt功能性有該本質的極限，才會開發出改良版GTO晶體閘流管。
改良版GTO晶體閘流管
在常見之條件下，進行操作標準型GTO晶體閘流管，一般diF/dt額定值在300A/μs~1,000A/μs之間。如果犧牲裝置的關閉功能性且在適當的條件下，甚至可以達到超過20kA/μs。同樣地，一般市面上推出的產品，其電壓額定值可以高達6kV，且最大電流的額定值可能會超過140kA。這種在相對較高的diF/dt條件下進行非常高電壓和電流的切換能力，使得改良式GTO晶體閘流管大受歡迎，成為固態脈衝式電源切換應用最佳的元件選擇。圖3是常見的GTO晶體閘流管晶圓的照片。
圖3 GTO晶體閘流管晶圓
可以看到顯示為黃色部分的閘極區域，實際上會超出陰極的範圍而變成黑色的條狀結構。這種高度的閘極介數位化程度讓標準的GTO晶體閘流管具備關閉的特性，而且讓改良式GTO晶體閘流管具備絕佳的開啟特性。
在市面上常見的電晶體技術中，一直都是使用FET以及IGBT的技術。在某些特別需要高頻作業的應用中，都會採用大型、複雜的串聯或並聯式的MOSFET電晶體陣列。然而到目前為止，針對脈衝式電源應用而言，最適合的應該就是最新一代的高電壓IGBT。
絕緣閘極雙極電晶體
近來IGBT技術的發展，已經可以將電壓額定值從1.7kV推升到3.3kV，現在甚至高達6.5kV。在此同時，最新的裝置架構具備更高電流額定值，對於脈衝式電源應用為吸引力特性。不同技術和製造廠商所推出IGBT之間，電流變化速率diF/dt會有極大的差異，不過各種報告資料顯示其數值都在10kA/μs~30kA/μs之間。IGBT也可以被考慮套用在關閉開關之中，與尺寸相近的晶體閘流管比較起來，IGBT技術和電晶體主要缺點，是相對比較受限的峰值電流容量。
電壓額定值
高功率半導體的電壓額定值是一項重要考量因素。過電壓值只要稍微超過規格5%，並且維持短短數微秒就可能讓半導體裝置損壞；相對而言，像是晶體閘流管和引燃管傳統式技術，即使裝置內部有些微的崩潰，也還能承受短暫的過電壓。
電壓額定值被細分三種基本類型：直流電壓、重複性的峰值電壓，以及非重複性的峰值/突波電壓。針對正向和反向偏壓情況下，電壓值可能會不盡相同；此外，許多電壓額定值會隨著其他裝置作業條件，如溫度和閘極偏壓有所改變。所以在審閱和了解廠商提供的額定值時須注意。
峰值與突波電壓額定值毋須多做解釋，不過，直流電壓額定值的定義就不是這麼明確。長時間暴露在較高的直流電壓下，會縮短半導體裝置預期的使用壽命。圖4彙整常見的6.5kV晶體閘流管與內部100mm矽晶片的關係。
圖4 失效率與直流電壓
在特定的失效比例之下，與電壓較高的裝置比較起來，電壓較低的裝置一般而言可以在直流電壓更接近其峰值額定值的條件下工作。與直徑較大的裝置比較起來，直徑較小的裝置在特定的直流電壓下的失效比例都比較低，這是由於失效機制的統計計算方式所致。如果沒有給定額定值，針對時間足夠的100FIT可靠度，通常會假設是重複性峰值電壓額定值50%。然而，有許多裝置的設計能在更高的直流電壓下進行操作；在這種情形下，就會給定一個特定額定值。
除了所謂的靜態電壓額定值之外，還需要考慮到動態電壓。尤其是許多晶體閘流管類的裝置對於快速、正向偏壓的dv/dt變化率非常敏感。一般市面上的傳統式快速晶體閘流管，其dv/dt額定值都介於200V/μs到1kV/μs之間，而改良式GTO對於dv/dt變化率會更加的敏感。
GTO晶體閘流管電壓額定值說明
GTO晶體閘流管，尤其是針對脈衝式電源的應用而進行改良後的設計，會需要有一般為2V的永久性負閘極偏壓，或者是閘極陰極遮擋電阻，以便能夠穩定地支援其全額度的電壓和dv/dt值。圖5和圖6顯示了其間的關聯性，並且針對常見的脈衝式晶體閘流管做正常化。
圖5 閉塞電壓對閘極陰極電阻...
2022 年 07 月 28 日
