??快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)圖 開關(guān)工作原理
作者：海飛樂技術(shù) 時間：2016-12-22 16:38
本文以一臺1250kW/6kV的高壓大容量三電平變換器中的快恢復(fù)二極管為研究對象，分析其開關(guān)工作原理。 在高壓大容量三電平變換器中,吸收二極管和中點(diǎn)鉗位二極管均需使用快恢復(fù)二極管,其開關(guān)特性,特別是瞬態(tài)特性對變換器的安全工作、運(yùn)行性能和EMI有著較大的影響。
快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)圖
快恢復(fù)二極管是在常規(guī)的功率二極管基礎(chǔ)上，在器件設(shè)計(jì)與制作工藝上采用少子壽命控制技術(shù)等改善二極管的工作特性而得到。二極管結(jié)構(gòu)剖面如圖1a所示，由兩個重?fù)诫s去(P+和N+)及中間間隔的輕摻雜區(qū)(N-)組成。
圖1 快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)和載流子分布示意圖
快恢復(fù)二極管開關(guān)工作原理
本文研究的快恢復(fù)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(diǎn)鉗位二極管（VDNP）以及IGVT內(nèi)部集成的反并聯(lián)續(xù)流二極管均為快恢復(fù)二極管。IGCT和二極管（VDUT）所構(gòu)成的等效換流電路如圖2b所示。VDUT可對應(yīng)與變換器中的VDNP或FWD，RL和LL分別為電阻和電感負(fù)載，Ls是換流回路的等效雜散電感。
圖2 逆變器和二極管測試電路拓?fù)?/span>
2.1 關(guān)斷過程
T0時刻，IGCT開通，負(fù)載電流iL從VDUT換流到IGCT，VDUT進(jìn)入關(guān)斷過程，如圖3a所示。圖1b給出了關(guān)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(fù)電流峰值IRM，N-區(qū)結(jié)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(fù)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(fù)阻斷能力，二極管電流迅速下降。最大下降速率（diRM/dt）是反向恢復(fù)過程中一個重要的參數(shù)，它與雜散電感Ls作用產(chǎn)生反向電壓尖峰，該尖峰和VDC疊加在VDUT上產(chǎn)生VRM。嚴(yán)重時，VRM會使二極管工作過電壓而超出安全工作區(qū)，導(dǎo)致器件損壞；ts~t6器件，反向恢復(fù)電流進(jìn)入拖尾階段后，VDUT承受靜態(tài)反向電壓，關(guān)斷過程完畢。
T0時刻，IGCT開通，負(fù)載電流iL從VDUT換流到IGCT，VDUT進(jìn)入關(guān)斷過程，如圖3a所示。圖1b給出了關(guān)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(fù)電流峰值IRM，N-區(qū)結(jié)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(fù)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(fù)阻斷能力，二極管電流迅速下降。最大下降速率（diRM/dt）是反向恢復(fù)過程中一個重要的參數(shù)，它與雜散電感Ls作用產(chǎn)生反向電壓尖峰，該尖峰和VDC疊加在VDUT上產(chǎn)生VRM。嚴(yán)重時，VRM會使二極管工作過電壓而超出安全工作區(qū)，導(dǎo)致器件損壞；ts~t6器件，反向恢復(fù)電流進(jìn)入拖尾階段后，VDUT承受靜態(tài)反向電壓，關(guān)斷過程完畢。
圖3 典型的快恢復(fù)二極管關(guān)斷和開通過程
2.2 開通過程
IGCT關(guān)斷時，iL胸IGCT換流到VDUT，VDUT進(jìn)入開通過程，VDUT電流上升速率(diFF/dt)主要由IGCT關(guān)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(jīng)過一定時間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)。VFM會疊加于IGCT的關(guān)斷電壓上，可能導(dǎo)致IGCT過電壓。
正向恢復(fù)過程的產(chǎn)生原因一方面是由于器件內(nèi)部N-區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)機(jī)理；另一方面，實(shí)際二極管由于引線長度等呈現(xiàn)“電感效應(yīng)”，在開通電流上升過程中感應(yīng)較高電壓。
IGCT關(guān)斷時，iL胸IGCT換流到VDUT，VDUT進(jìn)入開通過程，VDUT電流上升速率(diFF/dt)主要由IGCT關(guān)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(jīng)過一定時間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)。VFM會疊加于IGCT的關(guān)斷電壓上，可能導(dǎo)致IGCT過電壓。
正向恢復(fù)過程的產(chǎn)生原因一方面是由于器件內(nèi)部N-區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)機(jī)理；另一方面，實(shí)際二極管由于引線長度等呈現(xiàn)“電感效應(yīng)”，在開通電流上升過程中感應(yīng)較高電壓。
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