高效应用的增强型第4代CAL二极管

2.2新型CAL4 F 1700V二极管

对于续流二极管主要的要求是低的静态损耗和低的动态损耗，二者与二极管的安全并联密切关联。为了得到所期望的低的静态损耗，低的正向通态压降是必须的。然而，正向通态压降的降低又会引起动态损耗的增加。对于CAL4 F 1700V二极管，这两种功率损耗之间的平衡是通过轴向寿命及掺杂分布的优化来获得，对于在低的和高的开关频率下应用的二极管尤其如此。

CAL4 F 1700V二极管（额定电流75A）在室温（RT）和高温（T_j=150°C）下相应的通态特性曲线示于图2。CAL4 F 1700V二极管最显著的通态特性，是在电流大于50A以后所呈现的正温度系数dU/dT。由于正温度系数dU/dT的原因，当并联二极管在高功率应用（优化静态及动态功率分配）及直流（DC）高电压应用（关断期间限制动态过电压）时，这种新一代的二极管能够自动分配电流，保持平衡。

为了评价反向恢复特性，我们使用了双脉冲电流，其负载为电感。续流二极管（FWD）由通态向断态的切换，由一个与之串联的IGBT完成。CAL4 F 1700V二极管的换流dI/dt=1500 A/μs，测试结果显示为软的恢复特性（见图3）

图2 CAL4 F 1700V (75A)二极管的室温(RT)及150°C通态特性

图3 CAL 4F1700V二极管的反向恢复特性，其中dI/dt=1500 A/μs

为了论证使用新一代CAL 4F 1700V二极管的模块性能得到改善，我们计算了单个芯片所能承受的负载电流。计算依据是由静态和动态损耗而引起的芯片温度的上升，最大负载电流就是当二极管或IGBT的模拟仿真的温度超过工作温度时的负载电流。

CAL 4F 1700V二极管的增强型终端结构，使它的工作温度能够达到Top=150°C，而CAL I 1700V 和CAL HD 1700V二极管只能工作到Top=125°C。

仿真指出，动态损耗的降低与最高工作结温的提高，二者的结合，使得CAL 4F二极管的性能比CAL I 1700V和CAL HD 1700V具有显著的优势。CAL4 F 1700V二极管的电流性能分别比CAL HD 1700V 和 CAL I 1700V二极管高出27％和33％。仿真只计算到二极管的限定电流。

2.3低开关频率用CAL 4F 1200V二极管的优化

新近研发的具有合适载流子寿命分布的CAL4 HD 1200V二极管，其特征比SEMiX404GB12E4s 型功率模块中的CAL4 F 1200V二极管具有更低的正向压降（见图4）。其室温压降降低了400mV，这就确保它与CAL4续流二极管的“F”系列快速版本具有更低的静态损耗。此外，以额定电流I_F=400A为例，SEMiX404GB12E4s功率模块中的CAL4 HD 1200V二极管，当电流高于200A以上即可得到正温度系数dU/dT，而CAL4 F 1200V二极管则需要电流大于250A以后才能得到正温度系数dU/dT，这也意味着，并联运行的正温度系数的优势是“F”快速系列和“HD”高密度系列的共同特征，此处结温的升高可以通过减小二极管的转换功率加以补偿。

使用双脉冲电流方法进行了反向恢复特性的测量。测量显示，CAL4 F 1200V 二极管比CAL4 HD 1200V二极管具有较低的开关损耗。功率模块的仿真显示，在最大负载电流方面总体是平衡的（见图5）。CAL4 HD二极管在开关频率f_sw=3kHz时的特征电流要比负载电流高8％，而CAL 4F在开关频率f_sw=16kHz时的特征电流要比负载电流高6％，低频（最佳：CAL4 HD）与高频（最佳：CAL4 F）二者的转换点应在6％～8％之间。

图4 CAL4 HD 1200V和CAL4 F 1200V二极管在4×100A并联二极管功率模块Semix404GB12E4s中的通态特性

图5 同尺寸CAL4 F 1200V和CAL4 HD1200V二极管的最大负载电流与开关频率的关系(I_F=100AT_jmax=150°C,T_c=80°C, dI/dt=1500A/μs)

总的来说，装配在SEMiX和SEMiTRANS型功率模块中的CAL4 HD 1200V二极管，在低的开关频率及高／中功率下应用时的最大特点是低的静态损耗。相比之下，CAL4 F 1200V二极管装配在MiniSKiiP、SkiM、SEMiTRANS等功率模块中，用在中／低功率的IGBT逆变器上时具有最佳的低的动态损耗。

2.4 650V等级的新型续流二极管

纯电动／混合电动车市场是功率电子的一个相对较新的市场。这些应用，以及更高效的驱动电池和直流电压，对于器件的形状和重量的要求是非常苛刻的，因此，CAL4 F技术开发了新一代的650V等级二极管，而不是先前几代CAL的600V等级。

图6 CAL4 F 650V二极管于400V，150A，150°C及dI/dt=1500 A/μs下的反向恢复特性

图7 CAL4 F 650V二极管的反向恢复损耗E_off与dI/dt的关系（dI/dt=800-4500 A/μs）

二极管的转折电压改变以后，有两项参数需要重新设计。首先是掺杂剖面，对于PIN器件，窄的n^－基区必须优化以确保650V以上的转折电压；其二，在一个相当宽的频率范围内对开关损耗与静态损耗之间做出优化折衷，手段则是优化轴向载流子寿命剖面。