探索非对称结构减少半导体器件中的应力

电子产品广泛使用半导体器件，这些器件负责改变电源、通信和处理信号。然而，诸如热量、高电压、高电流或频率变化等压力因素会影响器件的性能、可靠性和效率。因此，开发能够抵抗这些压力的半导体器件显得尤为重要。一种有效减少压力的方法是采用不对称结构，比如三相电流源整流器(CSR)。

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CSR是一种能够将交流电转换为直流电的电力转换器，具备降压功能。它通过在三个桥臂上各设置两个开关来实现，每个开关由一个晶体管和一个二极管组成。通过改变CSR的输入或输出端子，可以形成不对称结构，从而减少开关上的电压和电流负荷。

下面介绍一种新型的具有不对称结构的三相CSR，并比较它与传统CSR的不同之处，包括在功率损耗、输出滤波器、电压和电流应力方面的优势和劣势。

图1：拓扑结构

在提出的CSR中，虽然器件数量与传统CSR相同，但其上臂和下臂之间的连接方式不同。这种不对称的连接方式使得输出端子与输入端子不同，具体表现在上臂的二极管和晶体管之间的连接。这种新结构导致电流路径发生了微小的变化。

控制CSR的一种简单方法是采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)，这也是提出的CSR调制方案的基础。通过使用两个活动向量和一个零向量，可以实现输入参考电流空间矢量的调制，这些向量通过不同的开关状态来选择。

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使用不对称结构的CSR可以减轻半导体器件的压力，这种压力包括电压应力和电流应力，它们会根据CSR的工作状态和切换时机而变化。

图2：三相输入电压和扇区

提出的CSR相比传统CSR在开关损耗上略有增加，因为每个开关周期都会有额外的开通和关闭动作。然而，由于一半的晶体管承受的电压和电流应力较小，其传导损耗显著降低。这意味着提出的CSR在调制指数较低和续流时间较长时，性能优于传统CSR。

另一个优点是，提出的CSR可以使输出滤波器更小，因为它具有更小的输出纹波电压，这得益于多个自由轮道的设计。因此，提出的CSR不仅使系统更加强大，而且更经济。

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iDEAL的SuperQ技术具有非对称结构。

iDEAL Semiconductor 推出的 SuperQ 技术，是在讨论功率器件架构新方法时提到的一种非对称CSR系统的典型例子。这项技术虽然主要采用硅材料，但同样适用于碳化硅和氮化镓等其他半导体材料。SuperQ的一个突出特点是它的不对称、电荷平衡结构，这一设计相较于传统的超级结器件，有助于提升掺杂水平、减薄外延区域并扩大导电面积。

这种独特的结构设计让SuperQ在多个方面都显著优于市面上的现有产品，尤其是在60V到850V的电压范围内，它能够降低电阻和减少开关损耗。此外，SuperQ的生产过程采用了类似CMOS的简化工艺，适用于200毫米和300毫米的晶圆，使得选用的封装器件具有业内最低的电阻。

图3：硅、GaN 和 SiC 的比电阻 (R sp ) 与 SuperQ(中压)的比较

考察SuperQ对电力行业可能带来的影响，很清楚这项技术能够带来显著的好处。根据现有的数据，与市场上的主要竞争产品相比，SuperQ能够实现高达50%的电阻降低和70%的开关损耗减少。这些改进不仅能提升电力系统的效率、可靠性和热性能，还能简化电力设备的生产和封装过程，有望降低成本。

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值得一提的是，SuperQ技术已经从理论走向实践，iDEAL Semiconductor已经在不同的测试条件和应用场景中成功演示了这项技术。通过一些实例，如采用TO-247封装的650V/20A器件的电阻仅为6mΩ，以及在D2PAK封装中100V/100A器件的电阻仅为0.8mΩ，展示了其强大的性能。

SuperQ在功率器件领域取得的进步不仅提升了性能，还有潜在的成本节约，同时也展现了其对不同半导体材料的适应性。

这些令人鼓舞的进展预示着它可能对行业产生重塑作用，并且符合创新的三阶段企业社会责任策略。尽管SuperQ和非对称CSR都展现出巨大的潜力，但进行更多的独立评估和实际应用测试对于全面评估它们对功率器件领域的影响至关重要。