6500V碳化硅发射极关断晶闸管仿真和特性的研究

摘要

在高压大功率的应用中，传统的硅基半导体的耐压，耐dv/dt，di/dt能力已经达到了其自身极限，基于宽禁带半导体材料碳化硅（SiC）的功率器件比硅材料的器件有着巨大的优势，已经陆续研发报道了SiC MOSFETs, SiC IGBTs, SiC GTOs等高压器件。在 SiC高压功率器件中，门极可关断晶闸管（GTO）不仅具有高阻断电压、大电流、快速关断、低漏电流及耐高温等优点，而且比相同电压等级IGBT导通压降低，比SiC MOSFET的导通电阻低;另外SiC IGBT和MOSFET的门极氧化物在高温时的不稳定性，限制了工作的结温。SiC GTO还可以做出20kV电压等级，可以减少器件串联的使用数量，从而减少成本。SiC GTO也有它的缺点，开通关断过程需要缓冲电路，驱动电路复杂等，为了提高SiC GTO的技术，研究了新器件SiC ETO，它实现了无缓冲关断，增大了反向安全工作区，能更好的应用于功率电路中。
　　本文首先分析了SiC功率半导体材料在衬底材料、外延材料、载流子寿命近十几年的发展，系统的阐述了Si GTO和ETO，SiC GTO和ETO的结构和工作原理，分别分析了SiC GTO和SiC ETO近十几年的研究进程。
　　为了研究SiC ETO的特性，在ISE-TCAD仿真软件中建立了SiC GTO的二维结构模型，然后再结合MOSFET、二极管等Spice电路模型建立6500V SiC ETO的混模仿真模型。模拟研究了SiC ETO开通过程，并分析了器件偏置电压，驱动电流，不同漂移区载流子寿命对开通过程的影响。仿真了SiC ETO的1000V-3000V的关断过程，分析出关断过程中 dv/dt、di/dt，关断损耗，关断速度随着电压电流的变化，仿真验证了SiC ETO快速关断的特性。
　　最后，利用6500V，40A的SiC GTO，和选择相应匹配的门极开关和发射极开关，设计了6500VSiC ETO的实物封装和相应的快速驱动电路。搭建了测量SiC ETO静态特性和动态特性的高压实验平台。通过实验验证了SiC ETO的低的漏电流，低的导通压降，测量获得其在不同电压电流下的关断波形，用实验波形深入的研究了SiC ETO的关断过程，计算出其在3000V，2.3A时的损耗仅为9.4mJ，分析了关断存储时间的大小的决定因素，验证了SiC ETO实现了单位增益关断和低损耗的特点。理论分析了SiC ETO的反向安全工作区，并对6500V SiC ETO未来的研究工作进行了展望。
　　本文仿真和实验证明了SiC ETO是未来有广阔应用前景的高压高频器件，研究它对我国的半导体的发展有重要意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2 SiC材料的物理特性和电学特性

1.3 SiC功率半导体材料的发展状况

1.4本文的主要工作

第2章 发射极关断晶闸管的基本工作原理

2.1 GTO晶闸管的结构与工作原理

2.2SiC GTO晶闸管的研究进展

2.3 ETO晶闸管的结构与工作原理

2.4SiC ETO晶闸管的研究进展

2.5 本章小结

第3章6500V SiC ETO晶闸管的仿真研究

3.1SiC GTO的设计原理

3.2SiC GTO的仿真结构和物理模型

3.36500V SiC ETO的电学特性模拟研究

3.4关断损耗和dv/dt的分析

3.5 本章小结

第4章6500V SiC ETO静态和动态特性的实验研究

4.16500V SiC ETO的设计

4.2SiC ETO的静态特性

4.3双脉冲测试平台

4.4SiC ETO的动态特性

4.5 SiC GTO和SiC ETO关断特性的比较

4.6SiC ETO反向安全工作区（RBSOA）分析

4.7 SiCETO脉冲放电的实验验证

4.8 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间取得的研究成果