什么是二極管的反向恢復(fù)

以下文章來源于汽車功率電子 ，作者木木

1引言

IGBT的續(xù)流二極管是個很有意思的東西，對模塊整體的性能影響很大，今天就聊聊它

大家都叫它FRD，因為一般IGBT的續(xù)流二極管使用快恢復(fù)二極管，它有個很重要的特性——反向恢復(fù)，不僅影響二極管的損耗及安全工作狀態(tài)，對EMI特性也有很大的影響

先看看什么是二極管的反向恢復(fù)

2反向恢復(fù)

普通二極管電流由正向變成反向時，不會馬上截止，而是先反向上升一段時間ts，再經(jīng)過tf下降時間至接近0，trr=ts+tf是二極管的反向恢復(fù)時間

IF是反向截止的時候二極管電流的變化過程

原因： 電荷存儲效應(yīng)，tff是存儲電荷耗盡需要的時間;

影響： 影響開關(guān)頻率，增加反向恢復(fù)損耗

那么什么是電荷存儲效應(yīng)?

是個正偏的PN結(jié)，在外電場的作用下：

P區(qū)空穴向N區(qū)擴散，擴散的過程中與電子復(fù)合，剛擴散過來的空穴不能馬上與電子復(fù)合，濃度較高，接著逐漸變低，反之N區(qū)電子向P區(qū)擴散，于是

這個時候，空穴在N區(qū)積累，電子在P區(qū)積累的現(xiàn)象就叫電荷存儲效應(yīng)

此時加反向電壓，N區(qū)空穴和P區(qū)電子在電場的作用下移動形成電流，反向恢復(fù)過程說白了就是少子消失的過程

需要記?。?/p>

空穴在N區(qū)時少子，電子在P區(qū)也是少子，所以我們說反向恢復(fù)過程是少子導(dǎo)電造成的

3PIN二極管

高壓IGBT模塊中的快恢復(fù)反向恢復(fù)二極管一般是PIN結(jié)構(gòu)的二極管

啥是PIN二極管?

在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一層低摻雜的本征半導(dǎo)體層，組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管就是"PIN 二極管"

一般是P+N-N+結(jié)構(gòu)，中間的摻雜濃度比較低，近似于本征半導(dǎo)體，按工藝分有外延和擴散兩種

低摻雜的本征半導(dǎo)體提升了二極管截止電壓，因此PIN快恢復(fù)二極管有以下特征

優(yōu)點： 耐壓高，幾伏到幾千伏

缺點： 存在少子存儲效應(yīng)，反向恢復(fù)過程時間長，硬度高、正向?qū)▔航递^高

那么我們使用的過程中，對FRD有哪些要求呢

4對FRD的要求

總的來說

反向恢復(fù)要快，反向恢復(fù)電流峰值Irrm要低

恢復(fù)特性要“軟”

為什么?我們看FRD的反向恢復(fù)過程

要求快恢復(fù)特性很容易理解，可以降低反向恢復(fù)損耗，提升開關(guān)頻率，最理想的狀態(tài)就是沒有反向恢復(fù)過程;

主要說軟度

軟度指的是反向恢復(fù)電流下降的過程中，即上圖tf時間段內(nèi)，電流下降的斜率，斜率越大，關(guān)斷越硬，反之越軟

關(guān)斷太硬的話，一方面由于雜散電感的作用，會在二極管上疊加一個電壓尖峰，硬關(guān)斷對二極管是比較危險的;另一方面，電流下降階段斜率過大會產(chǎn)生一定的電流震蕩和電磁干擾(EMI)

因此，對于續(xù)流二極管，我們追求快恢復(fù)特性和軟關(guān)斷特性

5如何優(yōu)化

怎樣改善快恢復(fù)特性和軟關(guān)斷特性?

上邊的分析我們知道，反向恢復(fù)過程本質(zhì)上是少子消失的過程，可以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。

另外，還可以通過改進N-層結(jié)構(gòu)的方式提高軟回復(fù)特性，同樣會犧牲一部分損耗

也存在一些在PIN基礎(chǔ)上發(fā)展成的特殊二極管，如LLD低損耗二極管，發(fā)射極注入效率自調(diào)整二極管(SPEED)等，摘自論文，沒有深入研究，不做詳述

國際上，Infineon、ABB、RoHM等公司生產(chǎn)的快恢復(fù)二極管具有良好的軟恢復(fù)特性。