現(xiàn)代功率模塊及器件應(yīng)用技術(shù)(2)

2 續(xù)流和緩沖二極管

2.1 對(duì)續(xù)流和緩沖二極管的要求

現(xiàn)代的快速開關(guān)器件要求采用快速的二極管作為續(xù)流二極管。在每一次開關(guān)的開通過程中，續(xù)流二極管由導(dǎo)通切換到截止?fàn)顟B(tài)。這一過程要求二極管具有軟恢復(fù)的特性。但是，在很長(zhǎng)一段時(shí)期里，忽視了快速二極管的作用，使得開關(guān)器件工作頻率的提高受到了限制。在過去的幾年中，它又受到了高度的重視，特別是通過改善它的反向恢復(fù)特性而得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

2.1.1 反向阻斷電壓和正向通態(tài)電壓

由反向阻斷電壓VR的定義可以知道，二極管在該電壓值時(shí)的漏電流不得大于臨界值IR，如圖11所示。

生產(chǎn)商提供的參數(shù)表中的數(shù)值為溫度等于25℃時(shí)的值。當(dāng)溫度變低時(shí)，反向阻斷能力下降。例如，對(duì)于一個(gè)1200V的二極管來說，它的下降率為1.5V/K。如果在低于室溫的情況下運(yùn)行，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)線路時(shí)應(yīng)引起特別的注意。

當(dāng)溫度高于室溫時(shí)，反向阻斷電壓相應(yīng)上升，但漏電流也同時(shí)上升。所以，通常參數(shù)表中還會(huì)給出高溫（125℃或150℃）下的漏電流值。

正向通態(tài)電壓VF表示了在給定電流的情況下，二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降應(yīng)小于某給定的臨界值。一般說來，這個(gè)值是在室溫下測(cè)得的，但決定系統(tǒng)損耗的主要因素之一卻是高溫時(shí)的正向通態(tài)電壓。所以，在所有的參數(shù)表中又給出了它對(duì)溫度的依賴性。

2.1.2 開通特性

在二極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的過程中，電壓首先升至VFRM，即可重復(fù)的正向峰值電壓，然后才降至正向通態(tài)電壓的水平。圖12給出了目前通用的有關(guān)VFRM和開通時(shí)間tfr的定義。

但對(duì)于用在IGBT中的續(xù)流和緩沖二極管來說，這個(gè)定義并不能說明多少問題，因?yàn)?/P>

1）開通電流的上升率di/dt會(huì)很高，以至于象一個(gè)1700V二極管的VFRM會(huì)達(dá)到200～300V。這個(gè)數(shù)值已是VF的100倍以上。

2）實(shí)際應(yīng)用過程中，二極管是由截止進(jìn)入導(dǎo)通，由此產(chǎn)生的VFRM要比由零電壓進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)高出許多。

對(duì)于緩沖二極管來說，因?yàn)榫彌_電路只有在二極管導(dǎo)通之后才能發(fā)揮作用，所以較低的VFRM是它最重要的指標(biāo)之一。

即使對(duì)于反向阻斷電壓大于1200V的續(xù)流二極管來說，可重復(fù)的正向峰值電壓也有著重要的作用。在IGBT關(guān)斷時(shí)，線路的寄生電感會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電壓尖峰，這個(gè)電壓尖峰疊加于續(xù)流二極管的VFRM之上，二者之和可能導(dǎo)致過電壓。

2.1.3 關(guān)斷特性

在二極管由導(dǎo)通進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)的過程中，它內(nèi)部所存儲(chǔ)的電量必須被釋放掉。這個(gè)過程導(dǎo)致了二極管的電流反方向流動(dòng)。這一反方向電流的波形可以用反向恢復(fù)特性來描述。

圖13表示了一個(gè)最簡(jiǎn)單的測(cè)量線路，S代表一個(gè)理想開關(guān)，IL為一個(gè)電流源，Vk是一個(gè)用于換流的電壓源，Lk是換流電路中的電感。

當(dāng)合上開關(guān)S后，一個(gè)軟恢復(fù)二極管的電流和電壓曲線如圖14所示。

圖14 軟恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)過程的電流和電壓特性

換流速度di/dt是由電壓和電感決定的，即

di/dt=Vk/Lk    （7）

在t0時(shí)刻，電流到達(dá)零點(diǎn)。在tw時(shí)刻，二極管開始承受反向電壓。此刻，在二極管的pn結(jié)內(nèi)，所有的載流子都得到清除。在tirm時(shí)刻時(shí)，反向電流達(dá)到最大值IRRM。在tirm之后，電流逐步衰減至其漏電流值。它的軌跡完全由二極管所決定。如果衰減過程很陡，稱之為剛性恢復(fù)特性；如果衰減過程很緩慢，則稱之為軟性恢復(fù)特性。

反向恢復(fù)時(shí)間定義為trr，從t0開始到電流衰減至IRRM的20％時(shí)結(jié)束。如圖14所示，將trr細(xì)分為tf和ts，則可以得到一個(gè)用來定性描述二極管的反向恢復(fù)特性的系數(shù)，即軟性系數(shù)

s=tf/ls    （8）

圖15示出了一個(gè)準(zhǔn)實(shí)用的測(cè)量線路。

換流速度di/dt可由開關(guān)器件的柵極電阻來調(diào)節(jié)。Vk是直流母線電壓，在電容、IGBT和二極管之間的導(dǎo)線上存在寄生電感。圖16顯示了應(yīng)用雙脈沖情況下IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和IGBT以及二極管的電流波形。當(dāng)關(guān)斷IGBT時(shí)，負(fù)載電流由IGBT切換至二極管，從而展示出二極管在該時(shí)期的恢復(fù)特性。而在開通IGBT時(shí)，IGBT也接續(xù)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流。圖17用較高的時(shí)間分辯率顯示了這一過程。圖17（a）表示了IGBT的電流和電壓波形以及開通過程中的損耗；圖17（b）則顯示了二極管的電流和電壓波形以及損耗。


圖17 圖15所示電路的電流、電壓和功率損耗

當(dāng)IGBT接續(xù)續(xù)流二極管的反向峰值電流時(shí)，它的電壓還處于直流母線電壓〔在圖17（a）中為1200V〕的水平上。此刻IGBT的開通損耗為最大值。二極管的反向恢復(fù)特性可以進(jìn)一步細(xì)分為兩個(gè)部分。

1）第一部分為電流上升至反向恢復(fù)電流的峰值階段以及其后的按照di/dt速率的下降過程。對(duì)于一個(gè)軟恢復(fù)二極管來說，dir/dt和di/dt的值大致相當(dāng)，而反向恢復(fù)電流的峰值IRRM對(duì)開關(guān)器件的沖擊則最大。

2）第二部分為拖尾電流部分，即反向恢復(fù)電流緩慢衰減至零的過程。在此過程中，trr不再具有明顯的意義。因?yàn)?，此時(shí)二極管上已具有電壓，所以二極管內(nèi)損耗的主要部分產(chǎn)生于拖尾過程。對(duì)于一個(gè)剛性的、不含拖尾電流的二極管來說，盡管它的開關(guān)損耗很低，可在實(shí)際中還是無法被應(yīng)用。對(duì)于IGBT來說，因?yàn)?，它的電壓在拖尾階段已經(jīng)降至很低，所以，拖尾電流對(duì)IGBT的損耗影響并不大。

    在實(shí)際應(yīng)用中，與IGBT的開關(guān)損耗相比，二極管的損耗要低得多〔在圖17（b）中，采用了與圖17（a）中IGBT損耗相同的尺度來顯示二極管的損耗〕。因此，若要使IGBT和二極管的損耗之和保持較小，則應(yīng)盡量減小反向恢復(fù)電流的峰值，同時(shí)，將大部分存儲(chǔ)電荷保留至拖尾階段再釋放。這一設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)由二極管所能散發(fā)的最大開關(guān)損耗所限定。所以，就一個(gè)二極管對(duì)整體損耗的影響來說，最重要的參數(shù)就是其反向峰值恢復(fù)電流IRRM，它應(yīng)當(dāng)盡可能地小。

讓我們來看一個(gè)典型的電力電子線路，例如，置于一個(gè)模塊內(nèi)的直流斬波器。它的寄生電感Lσges約在40nH左右，起著降低過電壓的作用。因?yàn)?，理想的開關(guān)并不存在，所以，在二極管反向恢復(fù)期間，IGBT的電壓會(huì)有所降落。實(shí)際測(cè)得的電壓值為

－V(t)=－Vk－Lσges(dir/dt)＋VCE(t)    （9）

式中：VCE(t)是加在IGBT上電壓的瞬時(shí)值。

對(duì)于一個(gè)典型的軟恢復(fù)二極管來說，在電流上升速率不太高（≤1500A/μs）以及寄生電感為最小的情況下，電壓v(t)在任一時(shí)刻都小于Vk，不存在電壓尖峰。

圖18顯示了用這個(gè)方法來描述恢復(fù)特性的一個(gè)例子。在圖18中所示的條件下，讓我們來比較兩種二極管的過電壓。其中一種的載流子壽命是用鉑擴(kuò)散的工藝來調(diào)節(jié)，通過降低p發(fā)射極的效率來獲得軟恢復(fù)特性；另一種是CAL二極管。在額定電流（75A）時(shí)，鉑擴(kuò)散的二極管同CAL二極管具有相同的軟特性。但在電流較小時(shí)，由于前者的開關(guān)特性過于剛性，因而產(chǎn)生了過電壓，其最大值在10％的額定電流時(shí)可能會(huì)大于100V。在電流更小時(shí)，由于所應(yīng)用的IGBT的開關(guān)更慢，過電壓也再度減小。CAL二極管則在所有這些情況下均不會(huì)出現(xiàn)明顯的過電壓。

2.1.4 對(duì)續(xù)流二極管在整流和逆變運(yùn)行中的要求

在采用IGBT或MOSFET的變流器中，對(duì)續(xù)流二極管的要求取決于它是工作在整流還是逆變狀態(tài)下。即使在傳遞相同功率的情況下，兩種工作狀態(tài)下的損耗也不盡相同。

逆變運(yùn)行的特征是能量由直流電壓母線端流向交流端。也就是說，交流端和一個(gè)用戶相連接并給其供電（例如，三相交流電機(jī)）。

而在整流運(yùn)行狀態(tài)下，能量由交流端流向直流電壓母線端。在這種情況下，變流器是作為一個(gè)斬波整流器工作在電網(wǎng)端或發(fā)電機(jī)端。

在傳遞相等功率的條件下，功率半導(dǎo)體內(nèi)不同的損耗主要由在整流和逆變運(yùn)行期間交流端電壓和電流基波之間的相位所決定。這一點(diǎn)可以用圖19所示的基本電路來做進(jìn)一步的說明。

圖19 采用IGBT和續(xù)流二極管的逆變器的一相基本電路

我們可以看到：

1）如果Vout為正和iL>0電流通過S1；

2）如果Vout為負(fù)和iL>0電流通過D2；

3）如果Vout為正和iL<0電流通過D1；

4）如果Vout為負(fù)和iL<0電流通過S2。

所以，在給定了電流的有效值的情況下，IGBT和續(xù)流二極管中出現(xiàn)的導(dǎo)通損耗由電壓和電流基波之間的功率因數(shù)以及變流器的調(diào)制度m（決定了占空比）所決定。

在逆變運(yùn)行時(shí)存在著0(<=)mcosφ(<=)1的關(guān)系。如果mcosφ=1，則功率半導(dǎo)體的損耗到達(dá)了其極限情況。在該條件下，導(dǎo)通損耗以及IGBT的總損耗都達(dá)到最大值，二極管的損耗則達(dá)到最小值。

在整流運(yùn)行時(shí)存在著0(>=)mcosφ(>=)－1的關(guān)系。在mcosφ=－1時(shí)，功率半導(dǎo)體的損耗到達(dá)了其極限情況。在該條件下，導(dǎo)通損耗以及IGBT的總損耗都達(dá)到最小值，二極管的損耗則達(dá)到最大值。

將此理論應(yīng)用于圖19，則該情況剛好出現(xiàn)在斬波整流器僅僅從電網(wǎng)吸收純有功功率時(shí)（就電流基波而言）。此時(shí)，電網(wǎng)的星形中點(diǎn)應(yīng)該與直流母線電壓的中點(diǎn)相連。圖20繪出了上述關(guān)系。

在給定直流母線電壓和交流電流有效值的情況下，器件的開關(guān)損耗只與開關(guān)頻率有關(guān)，兩者之間呈線性關(guān)系。

市場(chǎng)上大量的帶有續(xù)流二極管的IGBT和MOSFET模塊，就其在額定電流下可散發(fā)的損耗而言，是為逆變工作狀態(tài)而設(shè)計(jì)的（例如cosφ=0.6～1）。由于在此工作狀態(tài)下二極管的通態(tài)損耗以及總損耗遠(yuǎn)比IGBT要低，所以，二極管損耗的設(shè)計(jì)值也遠(yuǎn)低于IGBT〔IGBT/二極管損耗設(shè)計(jì)比約為（2～3）：1〕。

因此，在設(shè)計(jì)斬波整流器時(shí)，若其功率和相應(yīng)的斬波逆變器相等，則建議使用電流等級(jí)高一檔的功率模塊。

例如，某傳動(dòng)系統(tǒng)功率流為電網(wǎng)（400V/50Hz）→斬波整流器（fs=10～12kHz）→直流母線→斬波→逆變器（fs=10～12kHz）→三相交流電機(jī)（400V/50Hz/22kW），則

1）斬波整流器采用?1200V/100A（Tc=80℃）的標(biāo)準(zhǔn)IGBT半橋模塊；

2）斬波逆變器采用?1200V/75A（Tc=80℃）的標(biāo)準(zhǔn)IGBT半橋模塊。

如果功率模塊本身就帶有加強(qiáng)的二極管，則此區(qū)分便無必要。

2.2 快速功率二極管的構(gòu)造

我們需要區(qū)分二極管的兩種主要形式，即肖特基二極管和pin二極管。

在肖特基二極管中，金屬－半導(dǎo)體之間的接觸面構(gòu)成了阻斷型的pn結(jié)。與pin二極管不同，pn結(jié)沒有由擴(kuò)散而形成的勢(shì)壘。因此，如果n－區(qū)很薄，則它的通態(tài)壓降比任何一個(gè)pin二極管都小。在從導(dǎo)通進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)的過渡過程中，理論上僅需對(duì)空間電荷區(qū)充電。所以，此類二極管適用于很高的頻率（>100kHz）。但是，這一優(yōu)點(diǎn)只限于當(dāng)電壓小于約100V（目前最高可以達(dá)到250V）時(shí)。因此，肖特基二極管適合被用作MOSFET的續(xù)流二極管。另一方面，當(dāng)設(shè)計(jì)的耐壓較高時(shí)，則

1）通態(tài)電壓迅速增加，原因是基極寬度WB增加，以及僅存在一種載流子（單極型）；

2）截止漏電流迅速增加，有可能造成溫升失衡。

因此，當(dāng)電壓大于100V時(shí)，pin二極管開始顯示出其優(yōu)越性。對(duì)于目前生產(chǎn)的二極管來說，它的中間部分不再是i（本征的），而是相對(duì)于邊緣區(qū)來說，其濃度要低很多的n型半導(dǎo)體。在采用外延生長(zhǎng)技術(shù)的pin二極管中〔圖21（b）〕，首先在一塊高濃度的n＋襯底上分流出一個(gè)n－區(qū)（外延生長(zhǎng)），然后再擴(kuò)散p區(qū)。用此方法，基極的寬度WB可以被調(diào)節(jié)至極低，直至數(shù)個(gè)μm；同時(shí)硅片又具有足夠的厚度，使得生產(chǎn)中的成品率很高。通過引入再結(jié)合中心（多采用金擴(kuò)散的工藝）的方法，可以實(shí)現(xiàn)非常快的二極管，同時(shí)由于它的WB很小，通態(tài)電壓仍然可以很低。當(dāng)然，通態(tài)電壓總是大于pn結(jié)的擴(kuò)散勢(shì)壘（0.6～0.8V）。外延生長(zhǎng)式的二極管的主要應(yīng)用范圍在100～600V之間。有些制造商還實(shí)現(xiàn)了耐壓為1200V的外延生長(zhǎng)型二極管。

從600V開始往上，n－區(qū)已經(jīng)較寬，以至于可以采用擴(kuò)散工藝來生產(chǎn)pin二極管〔圖21（c）〕。在一塊n－襯底上分別擴(kuò)散入p和n＋區(qū)。同樣，為了調(diào)整續(xù)流二極管的動(dòng)態(tài)特性，需要引入再結(jié)合中心。

2.3 快速功率二極管的串聯(lián)和并聯(lián)

2.3.1 串聯(lián)

串聯(lián)的二極管電路如圖22所示。在串聯(lián)時(shí)，需要注意靜態(tài)截止電壓和動(dòng)態(tài)截止電壓的對(duì)稱分布。

在靜態(tài)時(shí)，由于串聯(lián)各二極管的截止漏電流的制造偏差，導(dǎo)致具有最小漏電流的二極管承受了最高的電壓，甚至達(dá)到擎住狀態(tài)。但是，只要二極管具有足夠的擎住穩(wěn)定性，則無必要采用并聯(lián)均壓電阻。只有當(dāng)截止電壓>1200V的二極管串聯(lián)時(shí)，才有必要外加并聯(lián)均壓電阻。

假設(shè)截止漏電流不隨電壓變化，同時(shí)忽略電阻的誤差，則對(duì)于n個(gè)給定截止電壓Vr的二極管的串聯(lián)電路，我們可以得到簡(jiǎn)化計(jì)算并聯(lián)電阻的式（10）。

R<(nVr-Vm)/(n-1)ΔIr    （10）

式中：Vm是串聯(lián)電路中電壓的最大值；

ΔIr是二極管漏電流的最大偏差，條件是運(yùn)行溫度為最大值。

做一個(gè)充分安全的假設(shè)，即

ΔIr=0.85Irm    （11）

式中：Irm是由制造商所給定的。

利用以上估計(jì)，電阻中的電流大約是二極管漏電流的6倍。

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)流經(jīng)電阻的電流約為最大截止電壓下二極管漏電流的3倍時(shí)，該電阻值便是足夠的。但即使在此條件下，電阻中仍會(huì)出現(xiàn)可觀的損耗。

動(dòng)態(tài)的電壓分布不同于靜態(tài)的電壓分布。如果一個(gè)二極管pn結(jié)的載流子消失得比另外一個(gè)要快，那么它也就更早地承受電壓。

如果忽略電容的偏差，那么在n個(gè)給定截止電壓Vr的二極管相串聯(lián)時(shí)，我們可以采用簡(jiǎn)化計(jì)算并聯(lián)電容的式（12）。

C>[(n-1)ΔQRR]/nVr-Vm    （12）

式中：ΔQRR是二極管存儲(chǔ)電量的最大偏差。

做一個(gè)充分安全的假設(shè)，即

ΔQRR=0.3QRR    （13）

條件是所有的二極管均出自于同一個(gè)制造批號(hào)。ΔQRR由半導(dǎo)體制造商所給出。除了續(xù)流二極管關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的存儲(chǔ)電量之外，在電容中存儲(chǔ)的電量也同樣需要由正在開通的IGBT來接續(xù)。根據(jù)上述設(shè)計(jì)公式，我們發(fā)現(xiàn)總的存儲(chǔ)電量值可能會(huì)達(dá)到單個(gè)二極管的存儲(chǔ)電量的2倍。

一般來說，續(xù)流二極管的串聯(lián)電路并不多見，原因在于存在下列附加的損耗源：

1）pn結(jié)的n重?cái)U(kuò)散電壓；

2）并聯(lián)電阻中的損耗；

3）需要由IGBT接續(xù)的附加存儲(chǔ)電量；

4）由RC電路而導(dǎo)致的元件的增加。

所以，在高截止電壓的二極管可以被采用時(shí)，一般不采用串聯(lián)方案。

唯一的例外是當(dāng)應(yīng)用電路要求很短的開關(guān)時(shí)間和很低的存儲(chǔ)電量時(shí)，這兩點(diǎn)正好是低耐壓二極管所具備的。當(dāng)然，此時(shí)系統(tǒng)的通態(tài)損耗也會(huì)大大增加。

2.3.2 并聯(lián)

并聯(lián)并不需要附加的RC緩沖電路。重要的是在并聯(lián)時(shí)通態(tài)電壓的偏差應(yīng)盡可能小。

判斷二極管是否適合并聯(lián)的一個(gè)重要參數(shù)是其通態(tài)電壓對(duì)溫度的依賴性。如果通態(tài)電壓隨溫度的增加而下降，則它具有負(fù)的溫度系數(shù)，這對(duì)于損耗來說，是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。如果通態(tài)電壓隨溫度的增加而增加，則溫度系數(shù)為正，在典型的并聯(lián)應(yīng)用中，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其原因在于，較熱的二極管將承受較低的電流，從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。因?yàn)?，二極管總是存在一定的制造偏差，所以，在二極管并聯(lián)時(shí)，一個(gè)較大的負(fù)溫度系數(shù)（>2mV/K）則有可能產(chǎn)生溫升失衡的危險(xiǎn)。

并聯(lián)的二極管會(huì)產(chǎn)生熱耦合，通路是：

1）在多個(gè)芯片并聯(lián)的模塊中通過基片；

2）在多個(gè)模塊并聯(lián)于一塊散熱片時(shí)通過散熱器。

不同類型二極管的通態(tài)電壓對(duì)溫度的依賴性如圖23所示。

圖23 不同類型二極管的通態(tài)電壓對(duì)溫度的依賴性

一般對(duì)于較弱的負(fù)溫度系數(shù)來說，這類熱耦合足以避免具有最低通態(tài)電壓的二極管走向溫升失衡。但對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)值大于2mV/K的二極管，我們則建議降額使用，即總的額定電流應(yīng)當(dāng)小于各二極管額定電流的總和。（未完待續(xù)）