什么是半导体的高压可控硅？高压可控硅有哪些应用？

　　本文将讨论瑞能半导体的高压可控硅及其应用和工艺技术。
　　威能高压可控硅
　　SCR 或可控硅整流器被定义为具有四层 p-n-p-n 结构的开关器件，导致双稳态行为，可以在高阻抗、低电流关断状态和低阻抗、高电流导通状态之间切换。SCR是一种功率半导体器件，可以阻断交流电源的正向和反向电压，并正向传导电流。它可以被认为是一个电流控制的电源开关。典型电流 （I） – 电压 （V） 特性如图 1 所示。反向行为类似于二极管，当反向电压高于击穿电压时，它进入雪崩击穿区域。对于正向偏置，可通过施加栅极触发电流或大于击穿电压的正向电压来接通 SCR。
　　
　　图 1：SCR 的典型电流 – 电压特性
　　表 1 是 Ween 1200V -1600V SCR 的概述。所有这些 SCR 的额定电流为 50A - 80A，并采用 TO247 或 TO3P 封装，以实现高电流处理能力。得益于卓越的平面工艺钝化制造技术，所有 Ween 的 SCR 在 150 °C 时的最高结温为 Tj（max），以实现稳健可靠的运行。
　　
　　I TSM，最大浪涌电流 - 实际应用中最重要的参数之一 - 额定值比额定平均电流IT（AV）大10倍。这确保了WeEn的SCR在实际应用电路中具有卓越的浪涌电流能力。最大导通状态电压低于 1.5V，从而为工作中的 SCR 带来更低的传导损耗和更低的温升优势。
　　高压可控硅应用示例
　　SCR在功率转换器电路中充当交流开关，与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）相比具有不同的功能。SCR 是一种半控制开关，因为它只能通过栅极电流触发导通，并在负载电流低于保持电流时换向（当关断不受控制时自关闭）。
　　
　　图 2：具有高压 SCR 的在线 UPS 拓扑
　　除UPS外，SCR还广泛用于固态继电器（SSR）、电池充电器以及电阻和电感负载控制电路。在现代在线不间断电源 （UPS） 中，交流电源和备用直流电池都是必要的，以确保输出在任何条件下都是连续的。具有高压SCR的典型在线UPS拓扑如图2所示。典型的SCR波形如图3所示。
　　
　　图 3：瑞能 SCR：UPS 整流电路中使用的典型波形（紫色：SCR1 A-K 电流;黄色：SCR1 A-K 电压 ;绿色：交流电源电流;蓝色：SCR2 A-K 电压）
　　总之，SCR 在以下功能块中充当电源开关：
　　交直流整流电路
　　桥式整流器有两种类型，二极管桥式整流器和SCR桥式整流器。两者都具有将正弦波电流转换为整流正弦波电流的相同功能。在现代开关模式电源中，需要功率因数相关（PFC）功能来强制电流与电压同相，以减少主电源的总谐波失真。然后，DC-AC逆变器产生净化后的输出交流电压。在这种UPS拓扑结构中，需要受控桥式整流器，因此采用了SCR桥。
　　电池充电电路
　　在正常的交流电源操作中，电池电路处于关闭状态。在紧急情况下，当主电源中断时，电池电路需要在交流电源消失后的 10 毫秒内打开。在该电路中，需要的是一个双向阻塞开关，该开关可以通过一个小的控制信号打开。除了这种控制方法外，还需要良好的电流浪涌处理能力和长期可靠性。瑞能的 1200V – 1600V 可控硅满足此应用中的这些要求。
　　旁路电路静态
　　旁路开关用于在高浪涌或故障情况下旁路 UPS 正常运行。手动旁路开关是一个额外的好处，允许出于安全目的进行维修和隔离。由于输入交流电源和输出交流电源之间的相位不匹配，大浪涌电流可能会流入SCR旁路开关。所有 Ween 的 SCR 的额定 ITSM 比额定平均电流 IT（AV） 大 10 倍，这确保了这种旁路应用的卓越浪涌电流能力。
　　瑞能半导体高压可控硅工艺技术
　　图4显示了高压SCR的横截面。有源区域在硅中由四层形成。阳极、阴极和栅极连接金属分别放置在底面和顶面上。在施加栅极脉冲电流并且电流从阳极流向阴极后，SCR 的功能类似于二极管。
　　在现代功率器件中，通常选择适当的硅掺杂水平和有源区域中硅N区域的厚度，以提供所需的击穿电压。但是，阻塞结必须终止在表面上的某个地方，通常是顶部表面。如果表面损耗到达芯片边缘，则会出现可靠性故障。在SCR等双阻断器件的情况下，如果表面损耗区域到达相反的PN结，则会出现“直通”击穿。在这两种情况下，都需要对顶部端接表面积进行适当和充分的钝化。
　　
　　图 4：高压 SCR 的横截面（显示有效区域和端接区域）
　　覆盖边缘端接区域的最常用的介电层是热氧化物。这种在扩散过程中生长的热氧化物应该是非常高的质量，具有低表面状态密度和低氧化物电荷。另一种选择是半绝缘多晶硅（简称SIPOS）。这基本上是一个导体（具有非常高的电阻）。作为导体，它不能捕获电荷，并且存在的任何电荷都会在偏置下沿着导体移动并作为泄漏电流离开设备。所有瑞能的SCR都具有平面结构，并采用SIPOS钝化处理，具有更好的可靠性和长期稳定性。
　　这种“平面工艺”器件制造方法完全无铅（Pb），与较旧但流行的“玻璃台面”端接技术相比，这是另一个优势，其中铅包含在玻璃中。无铅制造的 SCR 将成为 SCR 用户的重要合规优势，因为 RoHS 豁免将于 2021 年 7 月到期。