6英寸特高壓晶閘管類臺(tái)面負(fù)角造型研究

陳黃鸝 趙濤 種曉輝 蔡彬 劉航輝

摘要：本文論述了目前最為先進(jìn)的晶閘管結(jié)終端造型技術(shù)——類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)，此技術(shù)與傳統(tǒng)負(fù)角造型技術(shù)相比可以為6英寸特高壓晶閘管節(jié)省9.2%的有效陰極通流面積，提高8.4%的表面阻斷轉(zhuǎn)折電壓。類臺(tái)面造型最佳深度在芯片擴(kuò)散p-n結(jié)結(jié)深值附近，但不能超過結(jié)深。

Abstract： A most advanced area-reduced junction termination is created in this paper. Compared with the traditional negative angle modeling methode， this area-reduced junction termination can improve the current capacity and blocking voltage of 6 inch UHV thyristors. The effective cathode current area is increased 9.2%，the breakover voltage is increased 8.4%.The best value of area-reduced junction depth is about closing to but not more than diffusion p-n junction depth.

關(guān)鍵詞：類臺(tái)面；6英寸；特高壓；晶閘管；造型深度

Key words： area-reduced junction；6 inch；HUV；thyristor；modeling depth

中圖分類號(hào)：TN34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0226-02

0 引言

隨著國(guó)家電網(wǎng)直流輸電工程單條輸電線路輸送容量日趨提高，6英寸特大電流特高電壓晶閘管的研發(fā)生產(chǎn)成為必然。在目前原始區(qū)熔硅單晶直徑、電阻率及其均勻性一定的條件下，要獲取6英寸晶閘管最大通流能力就要獲取晶閘管陰極最大有效通流面積。基于此理念本文研究了一種最先進(jìn)的結(jié)終端造型技術(shù)——類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)。通過此方法，可以在充分保證器件設(shè)計(jì)片厚要求達(dá)到的目標(biāo)轉(zhuǎn)折電壓前提下極大節(jié)省陰極面有效通流面積。

1 類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)

傳統(tǒng)負(fù)角加工多用球面磨的方法，簡(jiǎn)單易行。類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)是在晶閘管傳統(tǒng)負(fù)角造型技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)而來的，通過精密加工方法對(duì)器件阻斷結(jié)終端進(jìn)行類臺(tái)面造型。對(duì)于負(fù)角造型的器件，結(jié)終端表面空間電荷區(qū)的形狀及電場(chǎng)分布可以通過調(diào)整負(fù)斜角角度加以控制。只有當(dāng)負(fù)斜角角度很小時(shí)，表面電場(chǎng)才有可能低于體內(nèi)。隨著角度減小，表面空間電荷區(qū)增大，表面電場(chǎng)下降，所以要求負(fù)斜角很小才能起到降低表面電場(chǎng)的作用。而對(duì)于特高壓晶閘管，負(fù)斜角角度更要足夠小才能實(shí)現(xiàn)高阻斷電壓的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是要求阻斷電壓高時(shí)，傳統(tǒng)負(fù)角造型技術(shù)很難在不損失陰極有效導(dǎo)通面積的情況下實(shí)現(xiàn)角度足夠小的負(fù)斜角造型，而本文提出的精密加工類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)可以很好地改善這一點(diǎn)，加工出的局部負(fù)斜角角度可以在不損失陰極有效導(dǎo)通面積的前提下任意小，充分降低阻斷結(jié)終端電場(chǎng)強(qiáng)度，提高阻斷能力。此造型技術(shù)可在保證阻斷轉(zhuǎn)折電壓更高的前提下獲得的陰極直徑增量Δ？準(zhǔn)/2大于等于2.5mm，相當(dāng)于陰極面積增加9.2%[1]。類臺(tái)面負(fù)角造型取代傳統(tǒng)負(fù)角造型提高電壓增大陰極面積的原理示意圖如圖1所示。

2 試驗(yàn)對(duì)比及結(jié)果討論

試驗(yàn)芯片：型號(hào)——13885（6英寸8500V）；

批次——17-68批。

試驗(yàn)方法：除結(jié)終端造型工藝外，其他工藝均完全相同；試驗(yàn)芯片片號(hào)按奇偶數(shù)相間挑出，排除一切干擾因素。

試驗(yàn)結(jié)果：如表1所示。

從表1可以看出，采用新型精密加工類臺(tái)面負(fù)角造型方法的芯片轉(zhuǎn)折電壓明顯高出用傳統(tǒng)球面磨負(fù)角造型方法芯片的轉(zhuǎn)折電壓，平均值高出700多伏。在同等結(jié)終端面積條件下，采用傳統(tǒng)負(fù)角造型技術(shù)，芯片阻斷電壓達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（8500V）。若要設(shè)計(jì)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，必須增加結(jié)終端面積或增加片厚，在原始區(qū)熔硅單晶直徑一定的情況下，增加結(jié)終端面積只能減小陰極有效通流面積，降低晶閘管最大通流能力；增加片厚，芯片通態(tài)壓降就會(huì)提高，消耗增大。因此，在目前國(guó)家電網(wǎng)直流輸電大容量大功率輸電要求下，傳統(tǒng)的負(fù)角造型技術(shù)已經(jīng)無法滿足要求。本文提出的類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)是新形勢(shì)下新品開發(fā)時(shí)的一項(xiàng)重大技術(shù)改進(jìn)。

3 類臺(tái)面造型注意事項(xiàng)

①精細(xì)加工類臺(tái)面時(shí)，造型曲線一定要光滑，不能有臺(tái)階、凹坑或尖峰等缺陷區(qū)域。因?yàn)檫@些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)集中，影響表面阻斷特性。

②造型時(shí)必須將結(jié)終端高摻雜層全部去除，因?yàn)楦邠诫s層不利于空間電荷區(qū)擴(kuò)展，從而降低阻斷電壓。所以，造型前必須知道擴(kuò)散摻雜的p-n結(jié)結(jié)深，造型深度必須在結(jié)深附近，但不能超過結(jié)深。仍以上述17-68批13885芯片做不同類臺(tái)面造型深度的對(duì)比試驗(yàn)，此批芯片p-n結(jié)結(jié)深為150μm。造型深度分4組：第1組造型深度為120-140μm；第2組造型深度為60-80μm；第3組造型深度為90-110μm第4組造型深度為150-170μm。結(jié)果如表2所示。

由表2和圖2可以看出，類臺(tái)面造型深度對(duì)芯片表面阻斷轉(zhuǎn)折電壓影響很大，隨著造型深度的增加，阻斷電壓先增加后減小，造型深度最佳值在結(jié)深附近，但不能超過結(jié)深，超過結(jié)深后阻斷電壓驟降。

4 結(jié)論

類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)是目前最先進(jìn)可行的晶閘管結(jié)終端造型技術(shù)，它可以在不損失晶閘管有效陰極通流面積的前提下，制造出任意角度的局部負(fù)斜角。對(duì)于6英寸8500V的13885型晶閘管，用類臺(tái)面負(fù)角造型技術(shù)進(jìn)行結(jié)終端造型，表面轉(zhuǎn)折阻斷電壓提高8.4%，有效陰極面積增加9.2%。極大地改善并提高了晶閘管表面阻斷特性和通流能力，可靠滿足國(guó)家電網(wǎng)直流輸電工程特大容量特大功率輸電線路換流閥的應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王正鳴，陳黃鸝.最新特高壓晶閘管[J].電力電子技術(shù)，2016（8）：24-25.