02-01-Part-5-关断特性

Bo Zhang 2023-06-10 00:00:00
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1. 反向恢复电流

pin 二极管的关断波形示意图如 1-1 所示。

图 1-1：pin 二极管关断波形示意图

从图中可以看出电流：

于是便出现了第一个问题：为什么会出现反向电流？

要回答这个问题，就要了解 n- 区等离子体和电场的分布。在上一部分中说过：

动态特性的本质是 n- 区载流子形成和排出的过程

二极管正向导通时，在 n- 区储存了大量的等离子体。关断时，这些等离子体必须要被排出，同时在 p+n- 处开始建立电场。图 2-2 展示了某关断时刻的电场和等离子体分布情况。其中虚线代表电场梯度，实线代表等离子体。由于二极管反偏，等离子体中的空穴会向左运动，电子向右运动。宏观上就形成了反向电流（Reverse Current），用 表示。

图 1-2：pin 二极管关断某时刻的电场以及等离子体分布

现在再来看关断过程。图 1-3 a）选取了 pin 二极管关断过程中的 6 个具有代表性的点，分别为：

图 1-3：a）pin 二极管关断的电路波形及 6 个代表时刻；b）每时刻的电场及等离子体分布

图 1-3 b）展示了这 6 个点的等离子体分布情况，用实线表示。后四个点的场强分布情况用虚线表示。在 A 点和 B 点时二极管仍然处于导通状态，场强过小，因此没有展示。可以说，等离子体的分布决定了场强的分布，进而决定了电压大小。

2. 关断电压

图 2-1：二极管关断电路示意图

图 2-1 展示了一个简化的逆变电路。开关 S 闭合后，二极管开始关断。根据基尔霍夫电压方程可以写出：

现在关注图 1-1 的电压波形，按照区间划分， 可以分为 3 个阶段：

  1. 导通阶段：在电流降到零点以后，二极管开始承受电源电压。 从 下降到 0，而电路中的寄生电感会产生感应电动势，其大小等于电源电压
  2. 反向阶段：
    1. 经过零点后，当 逐渐升高。当 时，反向电流应该达到最大值 。
    2. 在这之后，电路的寄生电感又会产生和第一阶段相反的感应电动势，叠加到二极管上，使其承担的电压高于 。 而感应电动势的大小由反向恢复的斜率 决定
  3. 截止阶段：电流趋向于 0，

假设 S 为理想开关，那么 。根据方程（2-1）分别求解这三个阶段的电压：

3. 关断损耗

作为功率半导体器件，为了降低损耗，我们希望：

然而通过方程（1-1）我们可以发现， 和 呈现倒数关系。我们可以近似地认为 ，那么二者的关系就如图 3-1 所示：

图 3-1：功率二极管导通压降与反向恢复电荷的关系

因此，在实际应用中，我们必须在导通和关断之间做出取舍：

接下来我们要解决一个核心问题：如何优化二极管设计，从而降低关断损耗。

再看图 1-1 中电压的第二阶段，二极管在以下两个时间点同时承受大电流和大电压：

  1. 反向电压逐渐升至 ，反向电流逐渐上升至
  2. 反向电压达到电源电压之后，电路中的寄生电感产生额外的感应电动势叠加到二极管上，反向电压升高至

图 3-2 a）和 b）分别展示了两种等离子体分布的两个时刻。其中，虚线代表导通时刻，实线代表二极管电压达到电源电压时刻。我们可以把等离子体的分布分为三部分：

  1. 被 p+ 区电子抽出的区域，此区域形成电场
  2. 剩余等离子体，空穴和电子分别被 p+ 区和 n+ 区复合
  3. 被 n+ 区空穴抽出的区域

图 3-2 c）展示了 a）和 b）两种等离子体分布下的二极管关断电流波形示意图。从图中可以看出：

图 3-2：a）硬关断；b）软关断；c）电流关断波形

由此我们可以归纳二极管的两种关断特性：

为了减少关断损耗，我们应该选择具有软关断特性的二极管。为了设计符合 b）类的等离子体分布的二极管，通常有两种思路：

  1. 降低空穴的发射效率
  2. 降低载流子寿命

对于第一点，根据发射效率公式

可得，降低阴极的掺杂浓度可以降低空穴的发射效率 ，这就是发射极控制二极管（Emitter-Controlled，简称 EMCON）的设计思路。

针对第二点，如果在阴极注入复合中心，使其载流子寿命降低，从而使反向电压达到电源电压时，剩余等离子体较多，从而减小反向电流。这种设计思路就是 Lutz 教授的轴向寿命控制技术（Controlled Axial Lifetime，简称 CAL）。

除了以上两点，还有一种设计思路是和肖特基结进行结合，叫做 MPS 二极管（Merged Pin-Schottky），如图 3-3 所示。

图 3-3：MPS 二极管结构

MPS 的工作原理如下：

02-01-Part-6-总结
02-01-Part-4-开通特性