以下文章来源于汽车功率电子 ,作者木木
1引言
IGBT的续流二极管是个很有意思的东西,对模块整体的性能影响很大,今天就聊聊它
大家都叫它FRD,因为一般IGBT的续流二极管使用快恢复二极管,它有个很重要的特性——反向恢复,不仅影响二极管的损耗及安全工作状态,对EMI特性也有很大的影响
先看看什么是二极管的反向恢复
2反向恢复
普通二极管电流由正向变成反向时,不会马上截止,而是先反向上升一段时间ts,再经过tf下降时间至接近0,trr=ts+tf是二极管的反向恢复时间
IF是反向截止的时候二极管电流的变化过程
原因: 电荷存储效应,tff是存储电荷耗尽需要的时间;
影响: 影响开关频率,增加反向恢复损耗
那么什么是电荷存储效应?
是个正偏的PN结,在外电场的作用下:
P区空穴向N区扩散,扩散的过程中与电子复合,刚扩散过来的空穴不能马上与电子复合,浓度较高,接着逐渐变低,反之N区电子向P区扩散,于是
这个时候,空穴在N区积累,电子在P区积累的现象就叫电荷存储效应
此时加反向电压,N区空穴和P区电子在电场的作用下移动形成电流,反向恢复过程说白了就是少子消失的过程
需要记住:
空穴在N区时少子,电子在P区也是少子,所以我们说反向恢复过程是少子导电造成的
3PIN二极管
高压IGBT模块中的快恢复反向恢复二极管一般是PIN结构的二极管
啥是PIN二极管?
在P和N半导体材料之间加入一层低掺杂的本征半导体层,组成的这种P-I-N结构的二极管就是"PIN 二极管"
一般是P+N-N+结构,中间的掺杂浓度比较低,近似于本征半导体,按工艺分有外延和扩散两种
低掺杂的本征半导体提升了二极管截止电压,因此PIN快恢复二极管有以下特征
优点: 耐压高,几伏到几千伏
缺点: 存在少子存储效应,反向恢复过程时间长,硬度高、正向导通压降较高
那么我们使用的过程中,对FRD有哪些要求呢
4对FRD的要求
总的来说
反向恢复要快,反向恢复电流峰值Irrm要低
恢复特性要“软”
为什么?我们看FRD的反向恢复过程
要求快恢复特性很容易理解,可以降低反向恢复损耗,提升开关频率,最理想的状态就是没有反向恢复过程;
主要说软度
软度指的是反向恢复电流下降的过程中,即上图tf时间段内,电流下降的斜率,斜率越大,关断越硬,反之越软
关断太硬的话,一方面由于杂散电感的作用,会在二极管上叠加一个电压尖峰,硬关断对二极管是比较危险的;另一方面,电流下降阶段斜率过大会产生一定的电流震荡和电磁干扰(EMI)
因此,对于续流二极管,我们追求快恢复特性和软关断特性
5如何优化
怎样改善快恢复特性和软关断特性?
上边的分析我们知道,反向恢复过程本质上是少子消失的过程,可以通过电子辐射的方式减小少子寿命,从而获得较短的反向恢复时间,但会增加导通压降。
另外,还可以通过改进N-层结构的方式提高软回复特性,同样会牺牲一部分损耗
也存在一些在PIN基础上发展成的特殊二极管,如LLD低损耗二极管,发射极注入效率自调整二极管(SPEED)等,摘自论文,没有深入研究,不做详述
国际上,Infineon、ABB、RoHM等公司生产的快恢复二极管具有良好的软恢复特性。
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原文标题:IGBT不得不知道之——FRD
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