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介绍电力电子装置中的大功率二极管

来源:电力电子网 作者:zhengwq 浏览:108

关键词: 其它 驱动 保护二极管 晶体管 PN

二极管是半导体器器件中结构最为简单的器件,但它是一种十分重要的基础器件。从某种意义上讲,是任何其他器件替代不了的。例如,自大功率器件IGBT问世后,在很大范围内代替了大功率晶体管GTR。但却无其它新型器件去替代大功率普通整流二极管。而且它的家族仍然稳如泰山各司其职。

  二极管是半导体器器件中结构最为简单的器件,但它是一种十分重要的基础器件。从某种意义上讲,是任何其他器件替代不了的。例如,自大功率器件IGBT问世后,在很大范围内代替了大功率晶体管GTR。但却无其它新型器件去替代大功率普通整流二极管。而且它的家族仍然稳如泰山各司其职。

  在大功率电气回路中目前经常用到的大功率二极管主要有:普通整流二极管、快速二极管、快速软恢复二极管、肖特基二极管。本文根据现有资料重新编写,除了大家所熟知的普通整流二极管不作介绍外,着重介绍后三种。

  一、快速二极管(快速恢复二极管Fast Recovery Diode)

  随着电力电子技术的发展,各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大,这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管,还是采用有自关断能力的新型电力电子器件,如GTO,MCT,IGBT等,都需要一个与之并联的快速二极管,以通过负载中的无功电流,减小电容的充电时间,同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高,为了与其关断过程相匹配,该二极管必须具有快速开通和高速关断能力,即具有短的反向恢复时间trr,较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。

  半导体器件中众所周知的PN结就是一个二极管。其中导电的基本单元称作为“载流子”,即电子和空穴。简单说来二极管的单向导电性能就是应用了“载流子”的产生和消失的物理原理。正向导电时(P区接正、N区接负)PN结两边产生并充满了大量“载流子”,可以在很低的电压下导通较大的电流,呈现低阻状态。反向阻断时(N区接正、P区接负),PN结两边的载流子很快就变为零(有极少量遗留形成了漏电流),呈高阻状态。载流子的产生、消失过程需要时间,于是有“开通时间”和“关断时间”之称。载流子存在时间称为“寿命”。“寿命的长短会影响到“开通时间”和“关断时间”。载流子寿命较长,二极管的开关速度相应较低。为提高其开关速度,可采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小载流子寿命,但这又会不同程度的造成不希望出现的二极管的“硬恢复特性”,它会在电路中引起较高的感应电压,对整个电路的正常工作产生不小的影响。

  目前,国内快速二极管一般采用电子辐照控制载流子少子寿命,其软度因子在0.35左右,特性很硬。国际上快速二级管的水平已达到2500A/3000V,300ns,软度因子较小。

  二、快速软恢复二极管

  恢复过程很短的二极管,特别是反向恢复过程很短的二极管称为快速恢复二极管(Fast Recovery Diode)。高频化的电力电子电路不仅要求快速恢复二极管的正向恢复特性较好,即正向瞬态压降小,恢复时间短;更要求反向恢复特性也较好,即反向恢复时间短,反向恢复电荷少,并具有软恢复特性。

  1、开通特性

  二极管的开通也有一个过程,开通初期出现较高的瞬态压降,经过一定时间后才能处于稳定状态,并具有很小的管压降。这就是说,二极管开通初期呈现出明显的“电感效应”,不能立即响应正向电流的变化。

  开通时二极管呈现的电感效应,除了器件内部机理的原因之外,还与引线长度、器件封装采用的磁性材料等因素有关。电感效应对电流的变化率最敏感,因此开通时二极管电流的上升率dIF/dt越大,峰值电压UFP就越高,正向恢复时间也越长。

  2、关断特性

  所有的PN结二极管,在传导正向电流时,都储存电荷。但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时,要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的,即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间,这个过程就是反向恢复过程,发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间(trr)。值得注意的是在未恢复阻断能力之前,二极管相当于处于短路状态。

  用软化系数S(Softness factor)来描述反向恢复电流由最大值IRM消失的速率。反向恢复电流的下降速度dIrr/dt是一个重要的参数。若dIrr/dt过大,由于线路存在电感L,则会使反向峰值电压URM过高,有时出现强烈振荡,致使二极管损坏,可以用软特性和硬特性的概念来表示dIrr/dt对反向特性的影响。

  耗尽储存电荷所需的总的时间定义为反向恢复时间trr,作为开关速度的量度,它是选用二极管时的一个非常重要的参数,一般用途的二极管trr为25μs左右,使用在整流以及频率低于1kHz以下的电路中是可以的,但若用于斩波和逆变电路中,必须选用trr在5μs以下的快速恢复二极管,在一些吸收电路中要求快开通和软恢复二极管。

  由软度因子定义可知,它就是反映二极管在反向恢复的过程中基区少数载流子消失的时间长短。所以,软度因子与少数载流子寿命、元件结构及结构参数等有密切的关系。所以改善软度因子性能就要从这些方面入手,即控制少数载流子寿命、采用新的结构、新工艺。

  制作出一种反向恢复时间短、恢复时反向峰值电流小、且为软恢复特性的高速二极管就显得尤为重要。为此开发了不同结构的这种二极管,例如有;凹型阶梯“阴极短路”结构带辅助二极管的结构;阴极短路结构;自调节发射效率与理想欧姆接触二极管(SIOD)等。

  三、肖特基二极管

  肖特基二极管是以其发明人华特?肖特基博士(Walter Hermann Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管 (Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)的简称。它不是PN结,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管。

  1、特点

  肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。由于SBD的反向恢复电荷非常少,故开关速度非常快,开关损耗也特别小,反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),尤其适合于高频应用。其正向压降低,仅0.4V左右,比PN结二极管低(约低0.2V)。而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。但其反向击穿电压比较低,大多不高于60V,最高仅约100V,反向漏电流比PN结二极管也大。发展100V以上的高压SBD,一直是人们研究的课题和关注的热点。近几年,SBD已取得了突破性的进展,150V和 200V的高压SBD已经上市,业界人士认为,即使不采用新型半导体材料,通过工艺和设计创新,SBD的耐压有望突破200V,但一般不会超过600V。使用新型材料制作的超过1kV的SBD也研制成功,从而为其应用注入了新的生机与活力。

  SBD与PN结二极管一样,是一种具有单向导电性的非线性器件。

  2、应用

  其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路。或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。

  肖特基二极管结构符号特性曲线

  3、性能比较

  下表列出了肖特基二极管和超快恢复二极管、快速恢复二极管、硅高频整流二极管、硅高速开关二极管的性能比较。由表可见,硅高速开关二极管的trr虽极低,但平均整流电流很小,不能作大电流整流用。

  4、SiC高压SBD

  由于Si和GaAs SBD击穿电压较低,反向漏电流较大。碳化硅(SiC)材料是目前制作高耐压、低正向压降和高开关速度SBD的比较理想的新型材料。

  1999年,美国Purdue大学研制成功4.9kV的SiC功率SBD,使SBD在耐压方面取得了根本性的突破。 SBD的正向压降和反向漏电流直接影响SBD整流器的功率损耗。低正向压降与较高的反向击穿电压在设计上是相矛盾的。因此必须折衷考虑。

  SiC是制作功率半导体器件比较理想的材料,2000年5月4日,美国CREE公司和日本关西电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二极管,其正向压降VF在100A/cm2电流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料制作功率二极管的巨大威力。

  编者简介:朱英文:(1939- ),高级工程师,现任北京京仪椿树整流器有限责任公司技术顾问,中国电力电子产业网特约顾问,主要研究电力半导体器件的设计、制造、应用中的热设计和电力半导体器件主回路结构设计。曾参与专业词典、书籍的编写、翻译等工作。主要成果有:“无刷励磁发电机用旋转整流管设计和制造”,“晶闸管芯片球面磨角工艺”“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算方法”等。

  注:因本文内容所依据的网页可能有时间差或报道的角度不同等原因,如与现实际情况有异,欢迎与电力电子产业网联系,在接到反馈后及时更新。


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