??IGBT中的快恢復(fù)二極管技術(shù)應(yīng)用
作者：海飛樂技術(shù) 時(shí)間：2017-03-14 20:20
快恢復(fù)二極管多用于高頻場(chǎng)合，常與可控功率半導(dǎo)體器件結(jié)合使用，反向恢復(fù)時(shí)間trr是指二極管從導(dǎo)通狀態(tài)恢復(fù)到具有阻斷能力時(shí)所需要的時(shí)間。由于載流子的存在，移除這些載流子使二極管開始具有阻斷能力需要一定的時(shí)間。在高達(dá)數(shù)百安培工作電流情況下?？旎謴?fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間只需要幾個(gè)微秒。
快恢復(fù)二極管另一個(gè)特別的特性是軟關(guān)斷，也稱為軟恢復(fù)。下面給出了各種不同的二極管類型的內(nèi)部設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。
大多數(shù)的應(yīng)用中負(fù)載呈感性，所以IGBT需要反并聯(lián)一個(gè)二極管，這樣在IGBT關(guān)斷之后，可以給感性負(fù)載提供續(xù)流回路。否則，電感上的過電壓可能損壞IGBT。因此這樣的二極管也被稱為續(xù)流二極管(FWD)。
在電路拓?fù)渲?，二極管的關(guān)斷特性依賴于IGBT的開關(guān)特性(如圖1所示的半橋結(jié)構(gòu)，VD1和VD2分別受到VT2和VT1的影響)。由于二極管只有復(fù)合全部載流子后，才能夠重新具有全電壓阻斷能力，因此，快速開關(guān)IGBT會(huì)導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的二極管產(chǎn)生明顯的電流梯度di/dt和反向恢復(fù)電流。這樣，二極管會(huì)產(chǎn)生不可忽略的瞬時(shí)反向過電流。
圖1 在感性負(fù)載中IGBT采用快恢復(fù)續(xù)流二極管
IGBT在開通后，不僅要通過負(fù)載電流，還要給續(xù)流二極管在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流提供回路。這個(gè)峰值電流很容易達(dá)到IGBT的安全工作區(qū)(SOA)，這樣IGBT的實(shí)際可用最大電流受到限制。根據(jù)IEC 60747-9標(biāo)準(zhǔn)，SOA定義了IGBT在開通狀態(tài)下的最高集電極電流IC。
即使在很好的散熱條件下，IGBT的工作電流也不得超過這個(gè)極限值。這個(gè)電流與IGBT在開
通和關(guān)斷時(shí)集電極和發(fā)射極之間的電壓Uce相關(guān)。通常是指Tc=25℃時(shí)，所可能流過的最大直流或者脈沖電流。
優(yōu)化二極管開關(guān)特性的目標(biāo)就是能夠最大限度地利用IGBT的容量。一種方法是通過摻雜降低載流子的壽命。另一種方法是在制造過程中采用電子輻照的手段來減少反向恢復(fù)時(shí)間和降低反向恢復(fù)電流。但是這種方法會(huì)增加二極管的正向?qū)▔航担簿褪窃黾恿朔穷A(yù)期齲的通態(tài)損耗。特別是對(duì)于阻斷電壓超過1kV的功率二極管來說，這種方法受到一定的限制。而且，載流子的壽命降低可能會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)電流突然中斷，從而引起了電流的諧振和電磁兼容(EMC)問題，嚴(yán)重的可能會(huì)損壞二極管。二極管關(guān)斷過程中的電流中斷現(xiàn)象也被稱為“活躍”特性。
除了其他因索之外，追求軟恢復(fù)的設(shè)計(jì)方法推動(dòng)了二極管的研發(fā)。這類二極管主要分為兩種均勻地降低P發(fā)射極效率(發(fā)射極控制二極管)或者改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低P發(fā)射極端率。這些技術(shù)常用于高功率的肖特基二極管，因此也被稱作混合PIN肖特基(MPS)二極管。MPS二極管結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)的肖特基二極管不同的是，MPS二極管在金屬半導(dǎo)體結(jié)上增加了P型孤島構(gòu)成了PIN型二極管結(jié)構(gòu)。
另一種方法是通過調(diào)整軸向載流子壽命以獲得期望的開關(guān)特性。這樣，復(fù)合中心需要植入到PN結(jié)內(nèi)。這類二極管被稱作軸向壽命控制技術(shù)(CAL)二極管。
即使在很好的散熱條件下，IGBT的工作電流也不得超過這個(gè)極限值。這個(gè)電流與IGBT在開
通和關(guān)斷時(shí)集電極和發(fā)射極之間的電壓Uce相關(guān)。通常是指Tc=25℃時(shí)，所可能流過的最大直流或者脈沖電流。
優(yōu)化二極管開關(guān)特性的目標(biāo)就是能夠最大限度地利用IGBT的容量。一種方法是通過摻雜降低載流子的壽命。另一種方法是在制造過程中采用電子輻照的手段來減少反向恢復(fù)時(shí)間和降低反向恢復(fù)電流。但是這種方法會(huì)增加二極管的正向?qū)▔航担簿褪窃黾恿朔穷A(yù)期齲的通態(tài)損耗。特別是對(duì)于阻斷電壓超過1kV的功率二極管來說，這種方法受到一定的限制。而且，載流子的壽命降低可能會(huì)導(dǎo)致反向恢復(fù)電流突然中斷，從而引起了電流的諧振和電磁兼容(EMC)問題，嚴(yán)重的可能會(huì)損壞二極管。二極管關(guān)斷過程中的電流中斷現(xiàn)象也被稱為“活躍”特性。
除了其他因索之外，追求軟恢復(fù)的設(shè)計(jì)方法推動(dòng)了二極管的研發(fā)。這類二極管主要分為兩種均勻地降低P發(fā)射極效率(發(fā)射極控制二極管)或者改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低P發(fā)射極端率。這些技術(shù)常用于高功率的肖特基二極管，因此也被稱作混合PIN肖特基(MPS)二極管。MPS二極管結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)的肖特基二極管不同的是，MPS二極管在金屬半導(dǎo)體結(jié)上增加了P型孤島構(gòu)成了PIN型二極管結(jié)構(gòu)。
另一種方法是通過調(diào)整軸向載流子壽命以獲得期望的開關(guān)特性。這樣，復(fù)合中心需要植入到PN結(jié)內(nèi)。這類二極管被稱作軸向壽命控制技術(shù)(CAL)二極管。
圖2 碳化硅肖特基二極管的兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(不成比例)
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