二極管的反向恢復(fù)特性及其影響分析

  硅pn結(jié)二極管外加正向電壓導(dǎo)通時(shí),pn結(jié)上會(huì)有非平衡少數(shù)載流子的積累,形成所謂電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。當(dāng)二極管由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為外加負(fù)電壓截止時(shí),這些存儲(chǔ)的少數(shù)載流子的消失需要一定時(shí)間,這段時(shí)間就是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間,這段時(shí)間里在二極管中形成的電流即為二極管的反向恢復(fù)電流。
 
  正如前面所述,在Boost型PFC電路的硬開(kāi)關(guān)CCM變換中,二極管VD的反向恢復(fù)電流會(huì)給電路工作帶來(lái)許多不利影響:除了使di/dt增大、給電路元器件增加電壓電流應(yīng)力之外,較大的反向恢復(fù)電流會(huì)使VD產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)損耗,并導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管VT的開(kāi)通損耗增大。這些影響不僅與反向恢復(fù)電流的大小有關(guān),而且與反向恢復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短也緊密相關(guān)。反向恢復(fù)電流越大,反向恢復(fù)時(shí)間越持久,影響也就越大。

 
  圖2示意出圖1所示電路中二極管關(guān)斷過(guò)程中開(kāi)關(guān)管VT與二極管VD的電壓電流波形以及相應(yīng)的瞬時(shí)功耗波形。圖中u_VT、i_VT和P_VT分別是開(kāi)關(guān)管VT的電壓、電流和瞬時(shí)功耗,u_VD、i_VD和P_VD分別是二極管VD的電壓、電流和瞬時(shí)功耗。t_rr為二極管VD的反向恢復(fù)時(shí)間,其大小與二極管VD的反向恢復(fù)存儲(chǔ)電荷Q_rr和反向壓降u_R等大小有關(guān)。  
  根據(jù)圖2,在二極管VD關(guān)斷過(guò)程中,開(kāi)關(guān)管VT的損耗P_VT和二極管VD的損耗P_VD可寫(xiě)為  
  因二極管的反向恢復(fù)所導(dǎo)致的二極管和開(kāi)關(guān)管的損耗P_Qn為  
  由圖2和式(5-1)-式(5-3)分析不難看出,二極管反向恢復(fù)時(shí)間t_rr越長(zhǎng),反向恢復(fù)電流越大,二極管反向恢復(fù)損耗以及由此所導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)管開(kāi)通損耗就越大。并且,因二極管反向恢復(fù)所導(dǎo)致的二極管和開(kāi)關(guān)管損耗占了整個(gè)關(guān)斷過(guò)程中器件開(kāi)關(guān)損耗的絕大部分。當(dāng)然，在二極管開(kāi)通過(guò)程中,二極管和開(kāi)關(guān)管也會(huì)發(fā)生一定的開(kāi)關(guān)損耗,但是與二極管關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗相比,往往要低得多。因此,二極管反向恢復(fù)引起的開(kāi)關(guān)損耗是CCM-PFC電路開(kāi)關(guān)損耗的主要成分。對(duì)于一般的硅半導(dǎo)體器件,二極管反向恢復(fù)引起的損耗會(huì)占到仝部開(kāi)關(guān)損耗的70%以上。
 
  但是,對(duì)于SiC肖特基二極管,其反向恢復(fù)電流卻幾乎低到可以忽略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較三種額定值相同的二極管在不同殼溫下的反向恢復(fù)特性:一種是SDP04S60 SiC肖特基二極管(4A/600V),另外兩種是RURD460超快硅功率二極管(4A/600V)和STTHSR06D軟恢復(fù)硅功率二極管(5A/600V),如圖3所示。
 
  由圖3顯見(jiàn),相對(duì)于SiC肖特基二極管,超快和軟恢復(fù)硅功率二極管均有較大的反向恢復(fù)電流和較長(zhǎng)的反向恢復(fù)時(shí)間。只是這兩種之間相比較,反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間大小不同而已。并且,硅功率二極管的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間均隨溫度的增加而增大。這就意味著,如果增高電路工作頻率→二極管開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步增加→結(jié)溫上升→反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)時(shí)間增大→二極管反向恢復(fù)損耗增加→結(jié)溫上升…,形成惡性循環(huán),給電路工作帶來(lái)的問(wèn)題更趨嚴(yán)重。  
  但是,在圖3中,SiC肖特基二極管幾乎不存在反向恢復(fù)電流,自然也沒(méi)有反向恢復(fù)時(shí)間問(wèn)題。并且,SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)特性隨溫度增加幾乎看不出有什么變化,展現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。這說(shuō)明,在 Boost型PFC硬開(kāi)關(guān)CCM變換電路中,二極管VD只要簡(jiǎn)單地釆用SiC肖特基二極管,即可解決傳統(tǒng)硅二極管反向恢復(fù)電流導(dǎo)致的諸多問(wèn)題,而不需對(duì)原電路和電路工作方式作任何改變。采用SiC肖特基二極管將一個(gè)復(fù)雜的電路及其控制技術(shù)問(wèn)題變得如此簡(jiǎn)體現(xiàn)了寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件的巨大應(yīng)用好處和潛力。
 
 
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