變換器中快恢復二極管的開關特性及工作原理

  快恢復二極管是一種開關特性好、反向恢復時間短的半導體二極管，是在常規(guī)的功率二極管基礎上，在器件設計與制作工藝上采用少子壽命控制技術等改善二極管的工作特性而得到。在P型材料與N型硅材料中間增加基區(qū)i，構成pin硅片。二極管結構剖面如圖1a所示，由兩個重摻雜去(P+和N+)及中間間隔的輕摻雜區(qū)(N-)組成。圖b為載流子分布示意圖。

  本文研究的快恢復二極管至于一臺基于集成門極流晶閘管(IGBT)的三電平變換器中，如圖2a所示。其中，吸收二極管(VDCL)、中點鉗位二極管（VDNP）以及IGVT內部集成的反并聯(lián)續(xù)流二極管均為快恢復二極管。IGCT和二極管（VDUT）所構成的等效換流電路如圖2b所示。VDUT可對應與變換器中的VDNP或FWD，RL和LL分別為電阻和電感負載，Ls是換流回路的等效雜散電感。  
  1. 關斷過程
  T₀時刻，IGCT開通，負載電流iL從VDUT換流到IGCT，VDUT進入關斷過程，如圖3a所示。圖1b給出了關斷過程中N-區(qū)過剩少數(shù)載流子的分布變化情況，可分為兩個階段：
  （1）過剩少數(shù)載流子清楚階段（t0<t<t2）。IGCT開通后，VDUT電流以diF/dt=-VDC/(Li+Ls)的速率下降至零，并反向增大至反向恢復電流峰值IRM，N-區(qū)結邊界積累的過剩載流子基本被清除。此期間，二極管壓降有所減小，但仍為正向，外加反向電壓由吸收電感Li 承受。
  （2）反向恢復階段（t2<t<t6)。t2時刻以后，少數(shù)載流子已不充分，VDUT開始恢復阻斷能力，二極管電流迅速下降。最大下降速率（di_RM/dt）是反向恢復過程中一個重要的參數(shù)，它與雜散電感Ls作用產生反向電壓尖峰，該尖峰和VDC疊加在VDUT上產生VRM。嚴重時，VRM會使二極管工作過電壓而超出安全工作區(qū)，導致器件損壞；ts~t6器件，反向恢復電流進入拖尾階段后，VDUT承受靜態(tài)反向電壓，關斷過程完畢。  
  2. 開通過程
  IGCT關斷時，iL從IGCT換流到VDUT，VDUT進入開通過程，VDUT電流上升速率(diFF/dt)主要由IGCT關斷特性所決定。如圖3b所示，在開通初期，VDUT出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降VFM，經過一定時間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)。VFM會疊加于IGCT的關斷電壓上，可能導致IGCT過電壓。
  正向恢復過程的產生原因一方面是由于器件內部N-區(qū)電導調制效應機理；另一方面，實際二極管由于引線長度等呈現(xiàn)“電感效應”，在開通電流上升過程中感應較高電壓。



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