快恢复二极管的结构图 开关工作原理
作者：海飞乐技术 时间：2016-12-22 16:38
本文以一台1250kW/6kV的高压大容量三电平变换器中的快恢复二极管为研究对象，分析其开关工作原理。 在高压大容量三电平变换器中,吸收二极管和中点钳位二极管均需使用快恢复二极管,其开关特性,特别是瞬态特性对变换器的安全工作、运行性能和EMI有着较大的影响。
快恢复二极管结构图
快恢复二极管是在常规的功率二极管基础上，在器件设计与制作工艺上采用少子寿命控制技术等改善二极管的工作特性而得到。二极管结构剖面如图1a所示，由两个重掺杂去(P+和N+)及中间间隔的轻掺杂区(N-)组成。
图1 快恢复二极管的结构和载流子分布示意图
快恢复二极管开关工作原理
本文研究的快恢复二极管至于一台基于集成门极流晶闸管(IGBT)的三电平变换器中，如图2a所示。其中，吸收二极管(VDCL)、中点钳位二极管（VDNP）以及IGVT内部集成的反并联续流二极管均为快恢复二极管。IGCT和二极管（VDUT）所构成的等效换流电路如图2b所示。VDUT可对应与变换器中的VDNP或FWD，RL和LL分别为电阻和电感负载，Ls是换流回路的等效杂散电感。
图2 逆变器和二极管测试电路拓扑
2.1 关断过程
T0时刻，IGCT开通，负载电流iL从VDUT换流到IGCT，VDUT进入关断过程，如图3a所示。图1b给出了关断过程中N-区过剩少数载流子的分布变化情况，可分为两个阶段：
（1）过剩少数载流子清楚阶段（t0<t<t2）。IGCT开通后，VDUT电流以diF/dt=-VDC/(Li+Ls)的速率下降至零，并反向增大至反向恢复电流峰值IRM，N-区结边界积累的过剩载流子基本被清除。此期间，二极管压降有所减小，但仍为正向，外加反向电压由吸收电感Li 承受。
（2）反向恢复阶段（t2<t<t6)。t2时刻以后，少数载流子已不充分，VDUT开始恢复阻断能力，二极管电流迅速下降。最大下降速率（diRM/dt）是反向恢复过程中一个重要的参数，它与杂散电感Ls作用产生反向电压尖峰，该尖峰和VDC叠加在VDUT上产生VRM。严重时，VRM会使二极管工作过电压而超出安全工作区，导致器件损坏；ts~t6器件，反向恢复电流进入拖尾阶段后，VDUT承受静态反向电压，关断过程完毕。
T0时刻，IGCT开通，负载电流iL从VDUT换流到IGCT，VDUT进入关断过程，如图3a所示。图1b给出了关断过程中N-区过剩少数载流子的分布变化情况，可分为两个阶段：
（1）过剩少数载流子清楚阶段（t0<t<t2）。IGCT开通后，VDUT电流以diF/dt=-VDC/(Li+Ls)的速率下降至零，并反向增大至反向恢复电流峰值IRM，N-区结边界积累的过剩载流子基本被清除。此期间，二极管压降有所减小，但仍为正向，外加反向电压由吸收电感Li 承受。
（2）反向恢复阶段（t2<t<t6)。t2时刻以后，少数载流子已不充分，VDUT开始恢复阻断能力，二极管电流迅速下降。最大下降速率（diRM/dt）是反向恢复过程中一个重要的参数，它与杂散电感Ls作用产生反向电压尖峰，该尖峰和VDC叠加在VDUT上产生VRM。严重时，VRM会使二极管工作过电压而超出安全工作区，导致器件损坏；ts~t6器件，反向恢复电流进入拖尾阶段后，VDUT承受静态反向电压，关断过程完毕。
图3 典型的快恢复二极管关断和开通过程
2.2 开通过程
IGCT关断时，iL胸IGCT换流到VDUT，VDUT进入开通过程，VDUT电流上升速率(diFF/dt)主要由IGCT关断特性所决定。如图3b所示，在开通初期，VDUT出现较高的瞬态压降VFM，经过一定时间后才能处于稳定状态。VFM会叠加于IGCT的关断电压上，可能导致IGCT过电压。
正向恢复过程的产生原因一方面是由于器件内部N-区电导调制效应机理；另一方面，实际二极管由于引线长度等呈现“电感效应”，在开通电流上升过程中感应较高电压。
IGCT关断时，iL胸IGCT换流到VDUT，VDUT进入开通过程，VDUT电流上升速率(diFF/dt)主要由IGCT关断特性所决定。如图3b所示，在开通初期，VDUT出现较高的瞬态压降VFM，经过一定时间后才能处于稳定状态。VFM会叠加于IGCT的关断电压上，可能导致IGCT过电压。
正向恢复过程的产生原因一方面是由于器件内部N-区电导调制效应机理；另一方面，实际二极管由于引线长度等呈现“电感效应”，在开通电流上升过程中感应较高电压。
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