专利名称：碳化硅二极管限压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括抑制瞬态电压峰值在内对电路中电压漂移的限 制，更准确地说，涉及对它们迅速地抑制。
背景技术：
'緩冲器，装置被用在出现大的电压峰值或者电压'尖峰，可能 性的电路中，往往紧跟在该电路中被打开开关的后面，因为该电路中 的电感引起瞬态电压峰值，即感应'冲击，。这种电压尖峰对于该开 关是有害的，因为当开关被打开时大电压将跨过分开的开关触点间的 间隔产生放电，导致这些触点损坏，从而限制该开关的失效时间。
作为例子，图1A表示一典型电路1的示意图，其中功率流的发 生受到接通和断开的支配。电路1包括被认为具有100pH代表电路的 寄生电感的电感器2,以及被认为在此大功率电路中具有0.03f2代表 电路电负荷值的电阻器3。此外，还提供有功率流控制开关4，当其 触点被闭合时具有的电阻。所有上述元件被相互串联连接，并 且跨过在其两个端子之间提供25V电位的直流电压源5。
对于该电路性能在其开关4被关闭至少足以使相关的瞬变消失之 后打开该开关4时的有效模拟，无法模拟出在打开该开关时跨过分开 理想的开关触点之间间隔发生的实际》丈电，以表明该电路寄生现象 (parasitic)的全部效果。然而图1B中的曲线图所具有的上部曲线， 为具有用方块标出的模拟数据点的模拟电压对开关4打开的响应；且 其下部曲线，为具有用三角标出的模拟数据点的相应的电流响应，由 于伴随有跨过该触点分开的间隔的放电，所以两者均不受任何影响。 不过上部的曲线表明其峰处的电压响应大于35kV。这是一个大到足 以跨过打开的开关触点之间的间隔引起弧光放电的峰值，如在打开典 型继电器触点时发生的那样。尽管下部的曲线表明该电路的电流在此 切换事件之后下降至零，但在该电压尖峰出现时该电路中仍然存在相 当大的电流，从而导致相应的电功率尖峰。跨过开关4不带某种緩冲 器装置，此瞬态电压峰值和相关联的弧光放电将损坏该开关的触点，
以致减少其使用寿命。
过去，电感器和电容器的综合体常被用在提供这种緩冲器装置的 滤波器结构中。这些结构往往比较大。在这些应用中使用的可供替换 的装置是齐纳二极管和瞬态电压干扰抑制器或者传输吸收器
(transorbs),而且齐纳二极管还被用作电路'箝位，，以将电路工 作电压的漂移同样限制在某个最大或最小值。虽然这些器件要比该滤 波器装置小很多，但是这些器件的响应和额定功率使它们的适用性在 实际的功率控制电路中受到限制。因此，期望有一种适于载荷大功率 流的电路的緩沖器装置，但其提供比较小规格的緩冲器，而且反应迅 速。
发明内容
本发明提供一种电压漂移控制系统，用来限制电路中换而言之是 由响应该电路中的条件变化而跨在其中选用元件上出现的瞬态电压峰 值，该系统具有多个碳化硅二极管模片，每个模片中具有阳极区和阴 极区，而且每个模片位于其空间系列中。每个这些碳化硅二极管模片， 通过导电金属连接与该系列中的每个相邻的模片互连，而使每个模片 的每个阴极区均朝向该系列一公共端。第一和第二导电电极中的每个 电极，通过导电金属连接与该系列相反两端的相应模片之一相互电连 接。与一模片的阳极区相互电连接的该电极，通过在该电极中提供的
其间具有间隔的一对延伸部之一净皮如此相互连4妄，且该空间系列和剩 余—电极位于该间隔中。 一 具有阴极区和阳极区的反向并联的二极管模 片，其中该阴极区通过导电金属连接与这对延伸部的剩余一个相互电 连接，其中该阳极区通过导电金属连接与第一和第二电极中的剩余一 个电极相互电连接。
图1A和1B分别表示一开关的瞬时开启试验电路的示意图，以及 一具有电气响应曲线的曲线图2表示电器元件所具有的电流与电压的关系曲线的曲线图3表示具有体现本发明的改进的图1A中电路的示意图4表示拥有对图3电路中开关的开启的电气响应曲线的曲线
图5A,5B和5C分别表示分层图和用于本发明的等效电路，以及 图6A和6B分别表示一脉冲瞬变试验电路的示意图和拥有一电气 响应曲线的曲线图。
具体实施例方式
作为更加适合的电压漂移控制电路的基础，是通过使用高电压的 碳化硅(SiC) p-i-n 二极管、具有本征的或者位于二极管中p区和n 区之间的轻掺杂区的p-n结二极管提供的。用于緩冲器装置的这种二 极管，必须被成形为能够承栽所通过的大电流，以适应在大功率流电 路中控制功率流时发生的、在控制切换的过程中将作为限制电压峰值 结果产生的大电流瞬变。此外，通过该二极管的这些大电流，希望与 跨过该二极管的实际正向电压降相关联，从而使比较少的这种二极管
能被串联连接，以将该緩冲器的击穿电压设置在，适于其开关被提供 该緩冲器装置所保护的功率电路的稳态操作期间所遇到的电压水平。 其结果是，这些二极管也必须能够经受其中出现大的电功率峰值，并 且将从此功率峰值得到的热散发到周围的环境中。二极管中的这种需 要，还可以出现在某些箝位电路装置中而不是控制瞬态电压峰值的大 小，在这种场合下，使用该电路时遇到的工作电压幅度的漂移，被相 对于该电路中的某个电压值(如电源电压)或某个其它参考电压(如 地电压)加以限制。
可以制做具有非常适于满足这些要求的特性的SiC p-i-n二极管。 图2是具有可从Cree公司大批供应的10密尔厚度的碳化硅p-i-n 二极 管模片的电流与电压特性关系的曲线图，能够承载高达50A之多的各 种正向电流值，其所具有的正向电压Vf在2.8V和3.6V之间，取决于 其中通过的传导电流的大小。低于2.8V时，图2所示的二极管传导 其50A的额定电流的小爿除额，即在2.5V下该二才及管传导182.9,uA电 流。高于2.8V时，该二极管传导的电流高达其50A之多的额定电流。
其额定电流为50A的该二极管，将能传导50A的瞬时电流从中 通过。与传导大电功率流用的电路中的切换相关联的瞬变，具有非常 快的上升时间和非常短的持续时间。这种切换比较不经常发生，以致 其中存在的每个具有短的持续时间的切换比较少，从而导致有限的工
作温度上升。因此在很多使用场合，该二极管可以是能够控制更加大
幅度电流瞬变的，因为SiC是热的极好导体，并且具有正的热阻系数。 因此，与图1A的电路1非常类似的电路10的示意图，被表示在 图3中，只不过在此插入其中的缓冲器装置配备有10个串联连接的SiC p-i-n二极管11,每个二极管实际上具有图2所示的电流与电压特性。 电路IO仍具有其值为100pH的寄生电感的电感器12,以及其值为 的负载电阻器13，它们被相互、并且与具有的触点闭合电阻的 功率流控制开关14串联连接在一起。所有这些串联连接的元件，如 图1电路中那样跨过25V电位的直流电压源15相连。
形成该緩冲器的10个串联的二极管，作为一串联的二极管串， 在其阳极端或与二极管的p-型导电区相连的一端，被连在寄生电感12 和功率控制开关14之间的接合处；该二极管串剩下的阴极端或与二 极管的n-型导电区相连的一端，被与地连接。如该二极管串那样，另 一个单二极管16位于同样两个电路点之间，只不过与上述其它一些 二极管反向并联，且其阳极与地连接，其阴极与电感12和开关14接 合处连接，以削去(clip off)切换开关4所产生的任何'瞬变，波形 的低值部分。
每个二极管的正向电压Vf加在一起，以提供该緩冲器的击穿电 压，高于它时此串联连接的二极管串11开始将显着的电流通到地。 因此，对于具有至少2.8V正向电压降Vf以载荷显著电流的每个二极 管11,该二极管串所提供的10Vf=28V最小緩沖器击穿电压，对于载 荷显著电流的二极管串必须超出DC电压源15所提供的电位以超出的 值。因此，图3的电路中并不具有稳态工作时足以使该二极管串载荷 显著电流的足够幅度的电压，所以该电路工作在恰好像图1的电路所 工作的那些情况下。
然而，在开关14关闭持久足以使关闭瞬变消失之后打开开关14 时，电感12周围消失的磁场，将试图跨过开关4打开的触点和负载 电阻3产生大的电压峰值。 一旦该电压上升到超出该二极管串11的 击穿电压值时，它们就将能够传导大电流，从而保持跨过它上升的电 压接近该击穿电压，因而对开关4打开的触点间产生的电压加以限制， 以防止其间发生弧光放电。在打开开关4时跨过电路10中开关4的 触点的电压降的模拟，被表示在图4的曲线图中，其上部的曲线仍为 电压响应，该曲线中目前带有模拟数据点用的三角，它表明峰值电压
被限制在恰好35V，从而防止任何的弧光放电。下部的曲线仍为电流 响应，其中的数据点被表示为方块，它表示该电路中的电流在打开的 开关4之后减少至零。
对于SiC p-i-n二极管中比较大的Vf值，仅要求IO个这样的二极 管被串联连接，以超过图3的电路10中25V电位的电源15,而使该 电路恰好像图1的电路1在稳态工作时那样工作。换一种方式，假如 用于该緩冲器装置的硅p-n结二极管仅具有0JV的正向电压Vf，那 么这样的二极管串会要求串联40个模片，组装串联连接的模片装置 的费用要比其中具有10个模片的高很多。碳化硅材料还具有超过硅 材料的13:1功耗的优点,所以其模片可以小很多。此外，SiC还是非常 耐用的材料，因此牵涉到较高温度的封装技术可被使用，从而可将好 得多的模片连接提供给相应的器件外壳，由此产生的SiC二极管，可 提供比使用硅半导体材料更大的可靠性。
作为另一种使用，例如，如果10个二极管串中的6个二极管被 一短路的导电体取代，而且电感器12被一电阻值基本上与电阻器3 的阻值相匹配的电阻器取代，那么该二极管串中剩余的4个有效的二 极管会相对于地形成'箝位，电路。在开关14闭合的该电路工作期 间，跨在电阻器3上的电压降将被限制在大约11.2V,而且由电源l5 所供给的剩余电压，在跨过取代电感器12的电阻器后下降；所有这 些总会发生，即便电源15的输出电压幅度随时间变化，只要该电压 幅度继续为正的。这样的二极管串也可被用在工作电压幅度为正的或 者时间的负部分(negative part of the time )的电路中，并且通过适合 的电路变化，可相对于基准电压而不是地提供对电路工作电压的箝 位。
如同图3中由串联的二极管串11示意表示的緩冲器装置的该电 压漂移限制电路，被实现如图5中所示。图5A表示单独的SiC p-i-n 二极管模片11的侧视图，其所具有的阳极p-型导电区位于其中竖直 中心处的虚线上方，且其阴极n-型导电区位于该虚线下方。本征的或 者轻掺杂区域位于该虛线附近。
在图5B的切开的分层图中，10个SiC p- i-n二极管模片11,被 表示为每个模片均使用金和锗的共晶合金与其相邻的模片焊接的堆， 该焊料由88%的金和12%的锗构成。此外，在该堆的顶部的模片11 中的阳极p-型导电区，类似地使用焊料17与'双腿，上触点18的上 腿焊接，而且该堆的底部的模片11中的阴极n-型导电区，被使用焊 料17与下触点19焊接。反向并联的二极管模片16,以其阳极p-型导 电区使用焊料17与底部触点19焊接；并且以其阴极n-型导电区使用 焊料17与'双腿，上触点18的下腿焊接。上触点18和下触点19通 常皆由镀金的铜制成。模片11和16以及触点18和19的一部分，被 收容在适合的传统电子器件外壳20中，触点18和19的其它部分从 该外壳中引出，以在待使用的电路中提供相互连接。用于图5B中装 置的等效电路被表示在图5C中，对于其外壳无任何表示。
用来从一脉沖发生器提供30V幅度的正的电压脉冲给图5B和5C 的緩冲器装置的试验电路，被表示在图6A中。该緩冲器装置与拥有 3.0Q电阻的负载电阻器21的串联连接，被跨接在提供幅度为42.5V 的电压脉冲的脉冲电压源上。
用来将脉宽为100ns的这种电压脉冲施加在该緩冲器装置和负载 电阻上的结果，被表示为图6B的曲线图中所代表的曲线，其表示跨 过电阻器21得到的电压。如在此可以看到的那样，该电压被施加在 第一列(the first course)的垂直虚线上，并且上升至12.5V,跨过该 电阻器以大约40ns的细垂直虛线的时间而产生该^c宽的上升时间，乂人 而跨过该緩冲器装置在该点处留下约30V的电压降。所施加的42.5V 脉冲在100ns处终止，而且跨过电阻器21的电压，此后不久便随着通 过它的电流下降至零而下降到零。因此，该緩冲器装置能够达到击穿， 并且在非常短的时间40ns内传导相当大的电流，从而能够非常迅速地 将其限压保护提供给任何跨过它相连接的开关，以防止该开关于其打 开时在其触点之间发生弧光放电。
尽管在此所示的緩沖器装置实例是以10个二极管模片形成的堆 为基础的，其将对开关电路中所施加的高于28至30V到大约不超过 跨接电压的电压箝位。然而在被焊接的二极管系列中也可以提供任意 数量的二极管模片，以相应的提供所希望的钳位电压值。例如，5个 二极管模片形成的堆会将开关电路中施加的电压箝位在14至15V的 范围内，以将其限制在这些值附近。
这种缓冲器装置所固有的模件性(modularity)，还允许用户很容 易地安排每个只能将所跨接的电压限制在仅小于所需要的值的这种緩 冲器，使其跨过该开关电路被保护的元件相互串联连接，以将所跨接 的电压限制为等于每个被串联连接的緩冲器装置的限压值之和的更大 值。并且，具有类似限压能力的每个这种緩冲器装置，在某些情况下 为了更大的电流和功率应对能力，实际上跨过开关电路中被保护的元 件可以纟皮相互并联连接，以适应更大的电流瞬变。
虽然本发明已经参照优选实施例进行了描述，不过本领域的技术 人员将会认识到，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以从形式 和细节上进^f于改变。
权利要求
1.一种电压漂移控制系统，用来限制电路中换而言之是由响应该电路中的条件变化而跨过其中选用的元件出现的瞬态电压峰值，该系统包括多个碳化硅二极管模片，每个模片中具有阳极区和阴极区，而且位于这种被互连接的每个模片的空间系列中的每个模片，通过导电金属连接与该系列中的每个相邻模片互连，而使每个模片的每个阴极区均朝向该系列一公共端，以及第一和第二个导电电极，其中每个电极通过导电金属连接与该系列相反两端的相应模片之一相互电连接。
2. 根据权利要求1的系统，其中该导电金属连接系由金-锗合金形成。
3. 根据权利要求1的系统，其中与一模片的阳极区相互电连接 的第一和第二电极之一，通过在该电极中提供的其间具有间隔的一对 延伸部之一被如此相互连接，且该空间系列和剩余电极位于该间隔 中；并且进一步包括一具有阴极区和阳极区的反向并联的二极管模 片，且其阴极区通过导电金属连接与这对延伸部的剩余一个相互电连 接，而且其阳极区通过导电金属连接与第一和第二电极中的剩余一个 相互电连接。
4. 根据权利要求3的系统，其中该反向并联的二极管模片是碳 化硅二极管模片。
5. 根据权利要求3的系统，其中该导电金属连接系由金-锗合金 形成。
6. 根据权利要求1的系统，其中第一和第二电极是跨过电路的 被选用元件被电连接的，且此被选用的元件包括电路开关。
7. 根据权利要求6的系统，其中与一模片的阳极区相互电连接 的第 一和第二电极之一 ，通过在该电极中提供的其间具有间隔的 一对 延伸部之一被如此相互连接，且该空间系列和剩余电极位于该间隔 中；并且进一步包括一具有阴极区和阳极区的反向并联的二极管模 片，且其阴极区通过导电金属连接与这对延伸部的剩余一个相互电连 接，而且其阳极区通过导电金属连接与第一和第二电极中的剩余一个 相互电连接。8.根据权利要求7的系统，其中该反向并联的二极管模片是碳 化硅二极管模片。
全文摘要
一种电压漂移控制系统，用来限制电路中换而言之是由响应该电路中的条件变化而跨过其中选用的元件出现的瞬态电压峰值，其具有多个在一系列中被相互串联连接的碳化硅二极管模片，而使每个模片的每个阴极区均朝向该系列一公共端。第一和第二个导电电极中的每个电极，与该系列相反两端的相应模片之一相互电连接。
文档编号G05F1/10GK101201637SQ200710199730
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月12日 优先权日2006年12月12日
发明者D·谭, T·A·赫特尔 申请人:普拉特及惠特尼火箭达因公司