[發明專利]大尺寸高功率脈沖晶閘管

有效

• 申請號: 201711364219.X
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108305896B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 顏家圣;劉鵬;張橋;劉小俐;肖彥;朱玉德
• 申請（專利權）人: 湖北臺基半導體股份有限公司
• 主分類號: H01L29/74
• 分類號: H01L29/74;H01L29/423;H01L23/10
• 代理公司: 襄陽嘉琛知識產權事務所 42217
• 代理人: 嚴崇姚

本發明的名稱為大尺寸高功率脈沖晶閘管。屬于功率半導體器件技術和脈沖功率技術領域。它主要是解決普通晶閘管開通di/dt低于1200A/μS和瞬態浪涌電流Isubgt;tsm/subgt;低于90kA的問題。它的主要特征是：芯片直徑為4英寸～8英寸，為硅基PNPN四層三端結構；芯片兩個端面鍍金屬薄層以連接外電極，放大門極分布區與陰極交叉排布；芯片、絕緣膠圈、陰極鉬片、陽極鉬片、門極組件、管殼上封接件和管殼下封接件采用懸浮式組裝和壓接封裝；放大門極中心區外緣與陰極的陰極區的交界線位于20%芯片直徑以外，放大門極分布區呈雪花型排列。本發明單只器件的脈沖峰值電流Isubgt;pm/subgt;可達200kA~500kA，阻斷電壓達到4500V~7500V，di/dt達到2kA/μS~5kA/μS。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術和脈沖功率技術領域。具體涉及一種功率半導體器件，該器件為固態開關，作為高性能脈沖功率設備和系統的核心部件，廣泛應用于電力、能源和環保等領域。

背景技術

1）脈沖功率開關及應用。

脈沖功率技術是以電氣技術為基礎，研究和解決瞬態巨量能源的產生、儲存、變換、傳送、保護、輸入和輸出等控制技術，將最先進的電力技術、高壓技術、核物理科學和微波技術等融合在一起形成的高新前沿技術，在新型智能電網、核能開發、環保、國防科技等領域應用前景廣闊。

脈沖功率開關是脈沖功率技術最關鍵技術之一，需要可靠控制數百千安倍甚至更大電流的開通和關斷。

高功率脈沖開關在脈沖功率電源的典型應用如圖8。電源向高密度儲能電容C充電至滿電壓Vcc，半導體脈沖開關T初始時處于阻斷狀態，當收到觸發控制信號時，脈沖晶閘管瞬間開通，電容C中的電荷迅速向負載Load放電（L為限流電感，D為續流二極管）。整個過程的響應時間要求到納秒級，脈沖電流寬度通常在數百微秒，脈沖峰值電流達到數百千安培。脈沖功率電源廣泛應用于強磁場強激光等核能裝置、脫硫脫硝除塵及廢水處理等環保設備、金屬表面處理設備、深海勘探設備等。

正在全球興起開發和建設熱潮的新型智能電網，是解決當代及未來電力供需的前沿技術。其以高壓直流電網為基礎，可容各種微電網、發電、儲能、工業或民用設備、照明等電力設備和系統（子系統）通過變流器自由接入，形成電力互聯網絡。為確保電力互聯網系統安全可靠運行，高壓直流斷路器像防火墻一樣連接在骨干網側和每一項聯網的電力設備/系統之間，是現代智能電網的關鍵技術之一。圖9是脈沖開關在電力互聯網高壓直流斷路器的應用原理圖，斷路器串接在電網和設備間，由三部分并聯組成：機械開關、半導體開關和能量吸收部分，回路正常運行時設備由機械開關接通，半導體脈沖開關T處于常閉（關斷）狀態。當回路檢測到故障時同步給出指令信號，該信號一方面控制關斷機械開關，同時控制半導體脈沖開關T導通（呈低阻狀態），避免機械開關承受高壓和瞬時拉弧而損壞。能量吸收部分隨后吸收和釋放半導體開關上的電流，直至其完全關斷，保護整個電力互聯網不受局部故障沖擊損害。該混合式高壓直流斷路器技術具有響應快、能耗低、高可靠的優良性能，同樣應用于艦船、飛機、航天器等復雜的獨立電力系統。

2）高功率脈沖功率晶閘管難點和關鍵技術。

早期在脈沖功率電源中主要使用氣隙開關或汞伏閘流管，在電力系統中主要使用機械開關。這些開關的共同優點是成本較低，耐高壓，但它們的缺陷也突出，一是開通或關斷都難以避免直流拉弧，二是響應不夠快，三是易衰退導致指標和可靠性下降。

隨著功率半導體新技術的發展，基于半導體器件制作的脈沖功率開關（固態開關）在近幾年取得突破，并快速在新型高性能脈沖功率電源和電力系統等多領域得到應用，也推動了一些高端技術和裝備的發展，已成為最具前途的替代品。隨著應用需求和新能源技術的高速發展，脈沖功率設備和系統的發展方向向高壓、高功率（超大電流）、高效率（功率密度）方向發展，從而需要更高性能的固態開關。