激光脉冲供应：高压二极管的雪崩击穿

激光脉冲供应：高压二极管的雪崩击穿

抽象

激光脉冲节点以 30 kV、5 kA 和 50 kV/µs 的脉冲宽度驱动二极管，每秒脉冲数为 6000 次。本文给出了雪崩倍增效应、掺杂决定的 30 kV 击穿电压、16.3 kW 的功率产生与 1.6 kW 的功率损耗、6 J 的反向恢复脉冲，以及维持结存活所需的额定值和缓冲电路。

1. 引言

准分子激光器中的高压二极管提供续流、钳位、放电缓冲和反向电流阻断功能。这些功能使二极管处于脉冲边沿。峰值电压范围为 20 kV 至 40 kV，峰值电流范围为 1 kA 至 10 kA，脉冲宽度范围为 10 kV/µs 至 100 kV/µs。

三种机制导致该部件失效。当反向磁场超过临界磁场时，雪崩倍增开始。当产生的能量超过耗散的能量时，热失控随之发生。反向恢复会在每次开关事件中增加一个能量脉冲。

每种机制都会导致短路或断路，而且在维修团队看来，每种故障都像是不同的问题。但在这三种情况下，电压过冲都是罪魁祸首。

本文涵盖了雪崩条件、掺杂决定的击穿电压、热平衡、反向恢复电荷和能量、位移电流、四种现场失效模式以及使部件保持 10,000 小时的额定值。

2. 核心机制

2.1 雪崩乘法

在硅中，当电场强度超过约 3e5 V/cm 的临界电场时，载流子会获得足够的能量，通过碰撞电离产生电子-空穴对。载流子数量成倍增加：

M = 1 / [1 − ∫(αn + αp) dx]

其中 M 为倍增因子，αn 和 αp 分别为电子和空穴的电离系数，积分遍及耗尽宽度。

两个系数均随场强增大而增大：

αn = An × exp(−Bn / E)

其中 αn 为电子电离系数，An 和 Bn 为材料常数，E 为电场强度。对于硅，An = 7×10⁵ cm⁻¹，Bn = 1.2×10⁶ V/cm。在雪崩点，M 无限增长。

2.2 掺杂引起的击穿电压

击穿电压取决于临界电场和结区浅色侧的掺杂浓度：

V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd)

其中 V_br 为击穿电压，εs 为硅的介电常数，E_c 为临界场，q 为电子电荷，Nd 为施主浓度。

已知 Nd = 1e14 cm−3 且 E_c = 3e5 V/cm，则 V_br 的值接近 30 kV。这是激光器供电二极管的典型值，对于存在过冲的 30 kV 电源轨而言，几乎没有裕量。

2.3 结处的热平衡

产生的功率包括正向损耗、反向泄漏和恢复脉冲：

P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f

其中 P_gen 为产生的功率，V_f 和 I_f 为正向电压和电流，V_r 和 I_r 为反向电压和漏电流，E_rr 为每次事件的恢复能量，f 为重复率。

当 V_f = 2 V，I_f = 5 kA，V_r = 30 kV，I_r = 10 mA，E_rr = 1 J，f = 6 kHz 时，P_gen = 10,000 + 300 + 6,000，即 16.3 kW。在 200 °C 的结温、40 °C 的环境温度和 0.1 °C/W 的温差下，功耗仅为 1.6 kW。此时结温将发生热失控。

单次脉冲期间的上升幅度很小：

T_j(t) = T_a + P_gen × R_th × [1 − exp(−t / τ_th)]

其中，T_j(t) 为结温，T_a 为环境温度，R_th 为热阻，t 为时间，τ_th 为热时间常数。当 τ_th = 5 ms 且 t = 100 ns 时，结温达到 72.6 °C。数十亿次脉冲的平均温度即为该器件的最终温度。

2.4 反向恢复能量

存储的少数载流子必须在二极管阻断之前离开结区。存储的电荷和恢复能量如下：

Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr

其中 Q_rr 为恢复电荷，I_rr 为峰值反向恢复电流，t_rr 为恢复时间。

然后，每次事件的能量计算如下：

E_rr = V_r × Q_rr

其中 E_rr 为恢复能量，V_r 为反向电压，Q_rr 为恢复电荷。已知 I_rr = 2 kA，t_rr = 200 ns，V_r = 30 kV，则 Q_rr = 200 µC，E_rr = 6 J。在 6 kHz 频率下，这相当于 36 kW 的功率，而封装的额定功率仅为其一小部分。

2.5 边缘位移电流

当电压变化时，结电容会产生位移电流：

I_disp = C_j × dv/dt

其中，I_disp 为位移电流，C_j 为结电容，dv/dt 为电压转换速率。一个 100 pF 的结在 50 kV/µs 的电压转换速率下通过 5 A 的电流，远低于 5 kA 的正向脉冲电流。一个 1 nF 的结在 100 kV/µs 的电压转换速率下通过 100 A 的电流，这会使芯片的局部区域发热。

图 1 — 50 kV/µs 的电压边缘驱动 5 A 电流流过 100 pF 的结；20 kV/µs 的 RC 缓冲电路将位移电流限制在 2 A。

3. 工程痛点

痛点一：电压过冲引发的雪崩效应

当击穿电压低于轨电压的1.5倍时，边缘过冲电流会超过轨电压。这种倍增效应会迅速提升电流，并在微秒内导致节点失控。

故障发生在运行1,000小时至5,000小时之间，部件显示短路。操作员怀疑是电容器或开关的问题，而另一台二极管的曲线图显示击穿拐点位于轨下方。

痛点二：正向电流引起的热失控

当浪涌额定值低于脉冲电流的两倍时，正向损耗会使芯片升温的速度超过封装散热的速度。结区温度会升高，硅片会在某一点熔化。

二极管在运行2,000小时至8,000小时之间发生短路。操作人员认为是过电压造成的，单次脉冲期间拍摄的热成像图显示，熔化点位于连接处。

痛点3：逆向恢复失败

恢复时间 t_rr 大于 500 ns 或恢复品质因数 Q_rr 大于 500 µC 的慢速二极管，其恢复脉冲能量会超过封装的承受能力。此外，50 kV/µs 的电压变化沿还会额外增加位移电流。

该部件在 500 小时至 2,000 小时之间发生故障。操作员认为故障原因是开关电路，在工作电压和电流下进行的双脉冲测量显示了导致故障的恢复电荷。

痛点 4：电流不均匀导致的热点

急弯或狭窄的收缩处会将水流限制在某一区域。该区域的温度比平均温度高2到5倍，并发生局部熔化。

在运行3,000小时到10,000小时之间，该部件在该点发生故障。操作员认为这是制造缺陷，而采用优化电极图案的大面积芯片消除了这一缺陷。同样的图案也适用于 N4700 将电容器极板和电阻器薄膜连接成均匀电流通路。

4. 设计步骤

策略一：设定分解利润率

指定击穿电压应高于峰值反向电压的2倍，因此30 kV节点需要60 kV的部件。使用1.5倍工作电压进行高压测试来验证该值，并检查该电压水平以及额定值下的泄漏情况。

策略二：设定应急缓冲

指定正向浪涌额定值应高于峰值脉冲电流的 3 倍，因此 5 kA 的节点需要 15 kA 的部件。使用 2 倍工作电流进行脉冲测试以确认，并检查峰值时的正向电压，因为 V_f 的上升会增加 2.3 节中所述的发电功率。

策略三：降低回收费用

选择 快速恢复二极管 Q_rr 小于 100 µC 且 t_rr 小于 200 ns，或者采用恢复电荷接近于零的碳化硅肖特基器件。在工作电压和电流下进行双脉冲测试以确认，并观察恢复电流波形是否存在明显的断续变化。

策略 4：抑制节点

添加一个RC或RCD缓冲电路，使dv/dt保持在20 kV/µs以下。在100 pF结上，将位移电流从5 A降至2 A。调整缓冲电路至临界阻尼，使边缘过冲随转换速率降低，并检查振铃频率是否符合要求。 薄膜电容器 同一回路中的自共振。

策略五：传播当前

使用面积较大的芯片，并采用能够为整个结供电的电极图案。在脉冲期间，使用红外成像确认电流路径。排除具有尖角或狭窄收缩的部分，因为这些点的局部电压上升幅度是平均值的 2 到 5 倍。

策略六：监测病例温度

使用内置热电偶或红外传感器监测外壳温度。将 150 °C 视为上限，并将高于首次读数 20% 的温度升高作为更换触发条件。记录读数以及脉冲频率，因为根据 2.3 节，产生的功率与脉冲频率成正比。

组件参数	典型值	测试条件
重复峰值反向电压	10 kV VRRM	2CL系列，25℃
平均正向电流	0.8 A IF(AV)	矩形波，Tc ≤ 85 °C
正向浪涌电流	100A @ 8.3 毫秒	单次浪涌，IFSM
反向恢复时间	低于 1 微秒 trr	软恢复等级
结电容	25 pF 典型值	VR = 4 kV，1 MHz
工作温度	−55 °C 至 +125 °C	Tj 最大值
漏电流	低于 5 mA @ VRRM	25°C，满负荷

5. 用于高dv/dt脉冲节点的HVC快速恢复二极管

该节点的选择取决于四个要求：击穿电压远高于轨电压、浪涌电流高于脉冲电流、恢复电荷小，以及结电容足够小以抑制位移电流。HVC 在东莞一家占地 6,000 平方米的自有工厂生产适用于该装置的元件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 击穿电压可达 150 kV，V_br 高于工作值的 2 倍，因此 40 kV 电源轨在 100 kV/µs 的过冲边缘保持裕量。
• 浪涌电流额定值为 20 kA，可承受 5 kA 脉冲，这使得正向损耗保持在封装可在脉冲之间消除的范围内。
• 受控载流子寿命下的恢复电荷低于 50 µC，恢复时间低于 100 ns，而同一节点上的慢速器件的恢复电荷为 200 µC，恢复时间为 6 J。
• 结电容小于 50 pF，这使得位移电流在 20 kV/µs 的电压边缘接近 1 A，而不是 1 nF 元件在 100 kV/µs 电压边缘通过的 100 A。
• 优化的电极图案可将电流分散到整个芯片上，并消除导致温度升高 2 到 5 倍的收缩区域。1 kV 至 150 kV 的电压范围适用于钳位、续流和缓冲电路节点。 门把手电容.
• 已通过先进光源平台认证，包括光刻光源和国产DUV光刻工具项目，工作频率为6 kHz，电压为40 kV，循环次数为100亿次。HVC部件符合相关参数和封装尺寸要求。 日前，Vishay 高压二极管范围。

交付和支持

标准件发货周期为 4-8 周，定制件发货周期为 6-10 周。HVC 应用工程团队提供恢复特性分析、缓冲电路设计、热模拟和浪涌测试方案制定等方面的支持。

请提供反向电压、峰值正向电流、边沿速率、重复频率和回路布局。HVC 将在五个工作日内回复一份包含恢复数据的选型表和两件样品评估套件。

6. 常见问题

问题1：30kV轨道需要多少击穿裕量？

将击穿电压设定为轨电压的两倍以上，即 60 kV。求解公式 V_br = (εs × E_c^2) / (2 × q × Nd)，当施主浓度为 1e14 cm−3 时，计算结果约为 30 kV，这导致 50 kV/µs 的电压变化速率下没有过冲空间。在 30 kV 的轨电压下，30 kV 的器件将在 1,000 至 5,000 小时内发生雪崩。

Q2：为什么热平衡在远离平衡状态时会失效？

因为恢复脉冲会增加正向损耗。在 5 kA 和 6 kHz 的条件下，P_gen = V_f × I_f + V_r × I_r + E_rr × f 在 1 J 恢复事件下返回 16.3 kW 的功率，而结温 200 °C、升温速率 0.1 °C/W 时的损耗为 1.6 kW。由于产生功率比移除功率高一个数量级，结温会失控。

Q3：如何减少反向恢复能量？

减少恢复电荷。Q_rr = 0.5 × I_rr × t_rr，E_rr = V_r × Q_rr。当 I_rr = 2 kA，t_rr = 200 ns，V_r = 30 kV 时，脉冲串的电荷量为 200 µC，能量为 6 J。如果 Q_rr 小于 50 µC，t_rr 小于 100 ns，则同一节点上的脉冲串电荷量将减少 4 倍。

Q4：缓冲器对位移电流的影响有多大？

它与转换速率成正比。I_disp = C_j × dv/dt，因此，一个 100 pF 的结在 50 kV/µs 时通过 5 A 电流，在 20 kV/µs 时通过 2 A 电流。调整缓冲电路以达到临界阻尼，使过冲随转换速率降低，并检查环路是否谐振。

Q5：对于新零件，我应该首先检查哪个评级？

检查击穿电压与峰值反向电压（包括过冲）的关系，然后检查浪涌电流与峰值脉冲电流的关系。V_br 低于电源电压 1.5 倍的器件会发生雪崩，浪涌额定值低于脉冲电流 2 倍的器件会因正向损耗而失控。这两种故障都会表现为短路。

Q6：如何在线路中断前检测到故障二极管？

跟踪每个堆栈的外壳温度，并将其与首次读数进行比较。温度升高 20% 表明正向电压升高或恢复电荷增加，150 °C 为上限。同时，在工作电压和电流下，定期进行双脉冲 Q_rr 测量。

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