光伏逆变器用大功率开关晶体管结构参数的设计*
2018-01-04李媛陆晓东周涛
李媛，陆晓东，周涛
光伏逆变器用大功率开关晶体管结构参数的设计*
李媛，陆晓东，周涛
（渤海大学新能源学院，锦州121013）
集电极峰值电流（ICM）、集电极-发射极击穿电压（VCEO）、最大耗散功率（PCM）、直流二次击穿临界电压（VSB）是衡量大功率晶体管可靠性优劣的重要指标。根据光伏逆变器实际参数指标的要求，对光伏逆变器中的核心功率开关器件的结构参数进行优化。根据大电流特点，重点对大功率开关晶体管高阻单晶硅电阻率、高阻集电区厚度、发射区版图及用于改善二次击穿的浮空发射区结构参数进行分析和设计。最终完成800V/15A大功率开关晶体管全套结构参数的设计，并提供了可供大功率晶体管设计使用的曲线和图表。设计结果表明：对大功率开关晶体管进行结构设计时，需着重考虑大功率开关晶体管在大电流、高反压、高频等工作状态下，极易出现的发射极电流过度集中导致器件损坏的现象。
大功率；集电极峰值电流；饱和压降；击穿电压；二次击穿
1 引 言
随着全球经济发展，能源短缺现状越来越受到人们关注。太阳能得到迅速发展，以电力电子技术为基础的逆变器，作为太阳能发电的核心设备，得到广泛应用。因此，对逆变器的效率、谐波等性能指标的要求越来越高。硅基大功率开关晶体管因其集大功率、高耐压、高频、宽安全工作区、极易制备等特性于一身，是较理想的半导体大功率开关器件，有着广阔的应用前景。广泛应用于电机变频器、光伏发电逆变器、高频电焊机逆变器，以及轻型交直流输电、航空、舰船、海洋工程等领域[1]。
2 大功率开关晶体管电学参数要求
大功率开关晶体管结构参数的设计完全依据光伏逆变器实际参数的要求。光伏逆变器有如下性能参数：
(1)额定功率：3kW；过载能力：150%
(2)输入电压范围：DC300～600V
(3)额定输出电压：AC220V/50Hz
(4)额定转换效率：＞94%
(5)输出总谐波失真：THD＜5%
(6)隔离方式：无变压器，非隔离方式
(7)保护功能：过压、欠压、过流、短路、过热保护
逆变器主电路如图1所示[2]，它采用的是全桥逆变电路，又称H桥电路。
图1 光伏逆变器主电路
从H桥电路的结构及前面的分析可知，大功率开关晶体管承受的最大电压即为电源电压 Vd。按上述的逆变器参数指标直流电压最大值 Vdmax=600V，在大功率开关晶体管关断过程中，由于线路当中的杂散电感的影响会有关断电压，表示为[3]：
所以大功率开关晶体管承受的最大电压为Vce= Vdmax+VLR。虽然 VLR无法测量，但是其电感反向电压一般小于其电源电压，所以我们对大功率开关晶体管的耐压值留有余量，选用800V高反压大功率开关晶体管。
已知输入侧最大支流电流也即为大功率开关晶体管的最大集电极电流 ICmax逆变器输出额定功率为3kW，假设逆变器无损耗，则其输入功率也为 Pin=3kW，所以当输入电压最低时有最大输入电流 ICmax=10A。为确保逆变器可靠工作，留有余量，选用ICmax大于15A的大功率开关晶体管。
综上分析，所需设计的光伏逆变器用大功率开关晶体管的极限参数为：VCEO=800V，ICmax=15A。另外，为了提高光伏逆变器的工作效率，需要在满足大功率开关晶体管击穿电压和最大集电极电流的基础上，尽可能降低其自身的耗散功率，降低其通态导通压降。由于大功率开关晶体管在光伏逆变器中使用时，工作于开关状态，因此，需要提高其开关过程中的抗二次击穿烧毁能力。同时需要兼顾及开关速率，提高其特征频率。
3 大功率开关晶体管结构设计及输出特性研究
大功率开关晶体管的安全工作区范围是衡量器件可靠性的重要指标。它可分为直流安全工作区和脉冲安全工作区两种类型。其中直流安全工作区是器件在实际使用过程中用户经常要参考的，且与脉冲安全工作区相比范围要小。因此，为进一步改善光伏逆变器用大功率开关晶体管的可靠性，需要对影响大功率开关晶体管直流安全工作区范围的各因素进行精细的研究。
大功率晶体管的直流安全工作区主要受到集电极-发射极击穿电压（VCEO）、集电极峰值电流（ICM） 、最大耗散功率（PCM） 、直流二次击穿临界电压（VSB）等电参数的影响。设计过程中需充分考虑二次击穿导致的器件烧毁问题，留出充分的余量。
3.1 集-射击穿电压
大功率开关晶体管集-射击穿电压与集-基击穿电压之间的关系为[4]：
对于硅大功率开关晶体管，根据经验选取n=4较合适。
BVCBO实际上是在一定的 ICEO值下的击穿电压，略低于PN结的雪崩击穿电压 VB。单边突变结的雪崩击穿电压可表示为[5]：
实际上，pn结的雪崩击穿电压不仅与单晶材料的电阻率有关，而且与单晶的制备方法及pn结本身的制备工艺有关。
图2为计算得到的集电区厚度和原始单晶硅电阻率对大功率开关晶体管集-射击穿电压的影响。大功率开关晶体管发射区半宽度为100μm，高阻集电区厚度为100μm。大功率开关晶体管做单边突变结近似。选择四种不同的高阻集电区电阻率研究。高阻集电区电阻率分别选择为 55Ω·cm、60Ω·cm、65Ω·cm、70Ω·cm。
由图2可见：当高阻集电区厚度选择较厚（大于发生集-射击穿时，集电结空间电荷区在集电区一侧的扩展长度）时，大功率开关晶体管集-射击穿电压 VCEO受到高阻单晶硅（集电区）电阻率的影响。高阻集电区电阻率越高，集射击穿电压越高。根据光伏逆变器参数指标要求，大功率开关晶体管的集-射击穿电压需大于900V，因此大功率开关晶体管高阻集电区电阻率需满足大于65Ω·cm的条件。为了留有一定的余量，原始高阻单晶硅电阻率选择应为65～70Ω·cm。
图2 原始单晶电阻率对大功率开关晶体管集-射击穿电压的影响
图3 为计算得到的集电区厚度对大功率开关晶体管集-射击穿电压的影响。高阻单晶硅电阻率取为65Ω·cm。由图3可见：当高阻集电区厚度大于集射击穿时集电结空间电荷区在集电区一侧的扩展宽度时，随着高阻集电区厚度的增大，大功率开关晶体管集-射击穿电压呈现增大的变化特点。同时，高阻集电区厚度越厚，集-射反向饱和电流值较小。表明高阻集电区厚度越厚，大功率晶体管越不容易发生穿通，反向饱和漏电流越小，器件性能越好。但相比于高阻集电区电阻率对集-射击穿电压的影响，高阻集电区厚度对集-射击穿电压的影响较小。因此，大功率开关晶体管高阻集电区厚度选择范围为80～110μm。
图3 集电区厚度对大功率开关晶体管集射击穿电压的影响
3.2 饱和压降
晶体管工作于放大工作区时，集电结处于反偏；当晶体管集电结转为正偏时晶体管工作在临界饱和状态。它的等效电阻为金属电极的接触电阻与未经电导调制的集电区串联电阻之和，晶体管上的电压应等于发射结电压和集电区串联电阻上的电压之和，但由于集电极串联电阻很大，可近似认为集电区上的压降与晶体管压降相等[6]。但当晶体管进入饱和区后，集电结处于正偏，将有大量空穴注入集电区内，引起了高阻集电区的电导调制效应，使集电区体电阻下降。集电区体电阻上的压降减小，饱和压降也减小，当注入到集电区的空穴使全部高阻区都受到电导调制时，还会进一步下降，进入饱和区。假定晶体管处于准饱和区，晶体管体压降为集电极串联电阻 RCS上的压降。因此，集电区厚度的增大对集电区串联电阻和大功率开关晶体管的饱和压降影响较大。
由图4可见：当达到相同的集电极电流时，高阻集电区厚度越大，大功率开关晶体管饱和压降就越大。所设计的大功率开关晶体管应该采用高阻集电区的下限，即高阻集电区厚度选择为80～85μm，此时仍能满足大功率开关晶体管集-射击穿电压大于800V。
图4 高阻集电区厚度对大功率开关晶体管饱和压降的影响
3.3 最大集电极电流
大功率开关晶体管电参数指标要求，集电极峰值电流需大于15A。述模拟为单元结构器件的模拟，只考虑一个发射区。由图4可知，当大功率开关三极管饱和压降为1V时，可得到的集电极电流为3A，欲得到15A以上的电流，需要并联的发射极数量大于5个。为留有一定的余量，在版图设计时发射极个数选择为6个，如图5所示（为放大图）。每个并联的发射区宽度均为200μm。
图5 大功率开关三极管发射区版图设计
3.4 二次击穿临界电压
当大功率开关晶体管的 VcCeE逐渐增大到某一数值时，集电极电流急剧上升，出现通常的雪崩击穿，这个首先出现的击穿现象称为一次击穿，见图6。当Vce进一步增大，IC增大到某一临界值时，晶体管上的压降 Vce突然降低，电流仍继续增大，这个现象称为二次击穿。在二次击穿中，从高电压低电流区急速过渡到低压大电流区，出现明显的负阻现象。二次击穿是造成大功率开关晶体管在电感性负载电路和大电流开关电路中毁坏的重要原因。二次击穿成为影响大功率开关晶体管安全使用和可靠性的一个重要因素，使大功率开关晶体管的使用电压和功率受到很大限制。因此它是晶体管制造者和使用者十分关注的问题[7]。
图6 大功率开关晶体管二次击穿示意图
上述设计的平面型大功率开关晶体管，较适合采用浮空发射区结构。由于大功率开关晶体管发射结较深（10μm），且浮空发射区与发射区是在同一步工艺中形成的，因此，为了减小大功率开关晶体管单元面积，应尽可能减小浮空发射区扩散（或注入）窗口尺寸。
上述设计的浮空发射区窗口尺寸为2μm，由于横向扩散，最终形成的浮空发射区横向宽度为15.4μm。当浮空发射区与发射区边缘间距较大（20μm）时，发射区边缘出现电流集中，大功率开关晶体管过热点出现在基极下方N-/N+处.此时，浮空发射区结构对二次击穿特性没有改善作用，原因为：当浮空发射区与发射区边缘间距较大时，基极与发射区的间距亦较大，此时无源基区横向电阻较大，导致在发射区边缘部分发生电流集中。
随着浮空发射区与发射区边缘间距减小，浮空发射区对二次击穿特性的改善得以体现。基极电流“绕过”浮空发射区，使得靠近发射边缘的较大发射结面积充分导通。当浮空发射区与发射区边缘间距由17μm减小至6μm时，浮空发射区对二次击穿特性改善的效果有小幅度提高。因此，为增强浮空发射区对二次击穿特性的改善作用并减小大功率开关晶体管无源区域面积，应结合实际工艺条件，尽可能在版图设计上减小浮空发射区与发射区的间距[8]。
4 结束语
根据光伏逆变器实际参数的要求，深入研究了光伏逆变器用大功率开关晶体管的设计，最终完成了800V/15A大功率开关晶体管全套结构参数的设计，并提供了供大功率晶体管设计的曲线和图表。设计结果表明：对大功率开关晶体管进行结构设计时，需着重考虑大功率开关晶体管在大电流、高反压、高频的工作状态下，极易出现的发射极电流过度集中而损坏器件的现象。
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The structure parameters designing of the high power switch transistor in the photovoltaic inverter
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
国家自然科学基金项目资助(No.11304020)
李媛(1981—),女,辽宁省盘锦市人，讲师,主研方向：功率半导体器件和晶硅太阳能电池技术。
2017-10-31
