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    • 發(fā)布時間:2025-01-21 21:00:26
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    二極管的反向恢復(fù)是什么
    IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的續(xù)流二極管(Free-Wheeling Diode,F(xiàn)RD)是一個關(guān)鍵組件,對整個模塊的性能有著顯著影響。今天,我們來深入探討一下這個有趣的元件。
    二極管的反向恢復(fù)
    一、FRD的反向恢復(fù)特性
    FRD通常使用快恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode),其最重要的特性之一是反向恢復(fù)。這一特性不僅影響二極管本身的損耗和安全工作狀態(tài),還對電磁干擾(EMI)特性有著重要影響。
    1. 反向恢復(fù)的定義
    當(dāng)普通二極管的電流從正向變?yōu)榉聪驎r,不會立即截止,而是先反向上升一段時間(ts),再經(jīng)過下降時間(tf)接近0。反向恢復(fù)時間(trr)是ts和tf的總和。
    IF:反向截止時二極管電流的變化過程。
    原因:電荷存儲效應(yīng),存儲電荷耗盡需要的時間(tff)。
    影響:影響開關(guān)頻率,增加反向恢復(fù)損耗。
    二極管的反向恢復(fù)
    2. 電荷存儲效應(yīng)
    電荷存儲效應(yīng)是指在正偏的PN結(jié)中,P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散,N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。這些擴(kuò)散的載流子在反向電壓作用下形成電流,反向恢復(fù)過程實(shí)際上是少子消失的過程。
    空穴在N區(qū)是少子,電子在P區(qū)也是少子,因此反向恢復(fù)過程是由少子導(dǎo)電引起的。
    二極管的反向恢復(fù)
    二、PIN二極管結(jié)構(gòu)
    高壓IGBT模塊中的快恢復(fù)二極管通常是PIN結(jié)構(gòu)的二極管。
    1. PIN二極管的定義
    PIN二極管是在P型和N型半導(dǎo)體材料之間加入一層低摻雜的本征半導(dǎo)體層,形成的P-I-N結(jié)構(gòu)二極管。常見的結(jié)構(gòu)是P+N-N+,中間的摻雜濃度較低,接近本征半導(dǎo)體。按工藝分為外延和擴(kuò)散兩種。
    二極管的反向恢復(fù)
    2. PIN二極管的特性
    優(yōu)點(diǎn):耐壓高,從幾伏到幾千伏。
    缺點(diǎn):存在少子存儲效應(yīng),反向恢復(fù)時間長,正向?qū)▔航递^高。
    二極管的反向恢復(fù)
    三、對FRD的要求
    在使用FRD時,我們通常有以下要求:
    反向恢復(fù)要快:降低反向恢復(fù)損耗,提升開關(guān)頻率。理想狀態(tài)是沒有反向恢復(fù)過程。
    反向恢復(fù)電流峰值Irrm要低:減少電流尖峰。
    恢復(fù)特性要“軟”:指的是反向恢復(fù)電流下降過程中(tf時間段內(nèi)),電流下降的斜率要小。斜率越大,關(guān)斷越硬,反之越軟。
    為什么要求“軟”?
    硬關(guān)斷的危險:雜散電感會在二極管上疊加電壓尖峰,對二極管本身比較危險。
    電磁干擾(EMI):電流下降階段斜率過大會產(chǎn)生電流震蕩和電磁干擾。
    因此,我們追求快恢復(fù)特性和軟關(guān)斷特性。
    二極管的反向恢復(fù)
    四、如何優(yōu)化FRD
    1. 電子輻射
    通過電子輻射的方式減小少子壽命,從而獲得較短的反向恢復(fù)時間,但會增加導(dǎo)通壓降。
    2. 改進(jìn)N-層結(jié)構(gòu)
    通過改進(jìn)N-層結(jié)構(gòu)的方式提高軟回復(fù)特性,但會犧牲一部分損耗。
    3. 特殊二極管
    存在一些在PIN基礎(chǔ)上發(fā)展而來的特殊二極管,如LLD(低損耗二極管)和SPEED(發(fā)射極注入效率自調(diào)整二極管)等。這些二極管在特定應(yīng)用中表現(xiàn)出更好的性能,但需要根據(jù)具體需求選擇。
    五、總結(jié)
    IGBT的續(xù)流二極管(FRD)對模塊的整體性能有著顯著影響。其反向恢復(fù)特性不僅影響損耗和安全工作狀態(tài),還對電磁干擾(EMI)特性有著重要影響。在設(shè)計(jì)和使用過程中,我們需要關(guān)注反向恢復(fù)時間、反向恢復(fù)電流峰值和恢復(fù)特性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),如電子輻射和改進(jìn)N-層結(jié)構(gòu),可以改善快恢復(fù)特性和軟關(guān)斷特性,從而提升IGBT模塊的性能和可靠性。
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