功率二極管開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程研究和教學(xué)

王 勇，佘 焱，孫 佳，吳建東

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海200240)

0 引言

功率器件是“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的第一部分，是理解后續(xù)各種拓?fù)潆娐饭ぷ髟淼幕A(chǔ)[1-2]。而PN結(jié)及功率二極管PiN結(jié)構(gòu)的深入理解又是分析功率器件的基礎(chǔ)。本文結(jié)合自編教材《電力電子技術(shù)》中有關(guān)內(nèi)容，從半導(dǎo)體物理層面，深入刨析功率二極管的工作原理。同時(shí)，多數(shù)教材和論文主要關(guān)注二極管的反向恢復(fù)暫態(tài)，反向恢復(fù)也被認(rèn)為是器件損耗、EMC等的主要原因[3-4]。本文通過(guò)理論分析和案例剖析，結(jié)合實(shí)際工程實(shí)踐，指出隨著功率二極管技術(shù)的發(fā)展，正向暫態(tài)往往是導(dǎo)致系統(tǒng)故障的主要原因，但卻容易在教學(xué)和科研中被忽略。

1 PiN結(jié)構(gòu)功率二極管半導(dǎo)體原理深度剖析

圖1表示了PN結(jié)熱平衡時(shí)的空間電荷區(qū)狀態(tài)，以及正偏狀態(tài)下的少子分布。

圖1 PN結(jié)原理與正偏少子濃度分布曲線

需要強(qiáng)調(diào)的是，電力電子電路中用到的功率二極管為PiN結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 功率二極管PiN結(jié)構(gòu)示意圖

圖1(d)中正偏狀態(tài)下的儲(chǔ)存少子濃度曲線是針對(duì)常規(guī)的PN結(jié)，而對(duì)于功率二極管的PiN結(jié)構(gòu)，在正偏狀態(tài)下的儲(chǔ)存少子濃度分布示意圖如圖3所示[5]，這一點(diǎn)在現(xiàn)行教材中較少提及。而在P+N-和N-N+兩個(gè)耗盡層之間的低摻雜N-層，少子的分布濃度較高，甚至超過(guò)了N-層的多子濃度，且近似為一根平滑的曲線。這與普通的PN結(jié)二極管有較大區(qū)別，也是理解功率二極管動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程的關(guān)鍵。

圖3 功率二極管正偏下的少子濃度分布曲線

2 PiN結(jié)構(gòu)功率二極管動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程分析

圖4表示了二極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形。

圖4 功率二極管開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)波形

2.1 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

如圖4所示，反偏后，功率二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。t3區(qū)間在反向電壓作用下，正向電流下降到零。t3末期雖然正向電流下降到零，但功率二極管的空間電荷區(qū)兩側(cè)(特別是多摻雜N區(qū))儲(chǔ)存有大量少子的緣故而并沒(méi)有恢復(fù)反向阻斷能力，這些少子在外加反向電壓的作用下被抽取出功率二極管，因而流過(guò)較大的反向電流。而抽取的過(guò)程又可以分為t4區(qū)間和t5區(qū)間。在抽取過(guò)程中，只要N-區(qū)兩端還有儲(chǔ)存少子，P+N-，N+N-兩個(gè)耗盡層將仍然保持正偏，所以圖4中二極管端電壓改變很小，只有很小的下降。但經(jīng)過(guò)反向電流較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)于儲(chǔ)存少子的掃除，也就是圖示的t4末期，兩個(gè)耗盡層附近的儲(chǔ)存少子變零，P+N-，N+N-耗盡層變成反偏，二極管端電壓變負(fù)。在t4區(qū)間，低摻雜N-區(qū)的少子濃度分布可以用圖5中的ta～tf表示。

圖5 t4區(qū)間N-低摻雜區(qū)少子濃度變化趨勢(shì)

外加反向電壓從t5區(qū)間開(kāi)始抽取離空間電荷區(qū)較遠(yuǎn)的少子。由于離空間電荷區(qū)較遠(yuǎn)的少子相比于空間電荷區(qū)附近的儲(chǔ)存少子濃度低很多，所以，t5時(shí)刻開(kāi)始反向電流從其最大值Irr開(kāi)始迅速下降，空間電荷區(qū)開(kāi)始迅速展寬。同時(shí)，正因?yàn)殡娏餮杆傧陆?，加上外電路寄生電感的作用，將產(chǎn)生很大的反向電壓Vrr。t5末期，反向電流降為零，PN結(jié)電壓等于外部所加電壓，功率二極管開(kāi)始重新恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。

2.2 由反向偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

圖4同樣給出了功率二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置時(shí)其動(dòng)態(tài)過(guò)程的波形?？梢钥闯?，在這一動(dòng)態(tài)過(guò)程中，功率二極管的正向壓降也會(huì)先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖VFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值(如2 V)。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因主要是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需要一定的時(shí)間，所以，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；同時(shí)，正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降，所以，電流上升率越大，VFP越高。

2.3 從等效電路來(lái)講解功率二極管動(dòng)態(tài)過(guò)程

以上從半導(dǎo)體原理解釋正向和反向暫態(tài)過(guò)程，實(shí)際教學(xué)中，當(dāng)單獨(dú)講解電壓或者電流變化趨勢(shì)時(shí)，學(xué)生較易理解，但解釋電壓和電流之間的前后、相位關(guān)系時(shí)，學(xué)生比較難理解。例如圖4中，電壓電流的過(guò)零點(diǎn)和峰值之間的相位關(guān)系。因此，我們?cè)趯?shí)際教學(xué)中，從如圖6所示的二極管等效電路出發(fā)，給出第二種方法來(lái)理解暫態(tài)過(guò)程，這種方法從基本的電路原理即可理解。

圖6 功率二極管的動(dòng)態(tài)模型

可以認(rèn)為功率二極管等效電路中，正向?qū)〞r(shí)R很小，C很大，而反向?qū)〞r(shí)正好相反。因?yàn)榈刃щ娐返碾娙萏匦裕?，隨著AK電壓的變化，電壓和電流之間呈現(xiàn)容性，即電壓滯后于電流的相位和變化。同時(shí)，C呈現(xiàn)非線性變化，所以電流和電壓之間的相位差大小也在變化。從這個(gè)角度就比較容易理解圖4中的電壓電流波形。例如正向?qū)ㄖ?，電壓滯后電流的變化趨?shì)，同時(shí)電流穩(wěn)定后，電壓還要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，達(dá)到正向穩(wěn)態(tài)電壓大約為1～2 V。同理，在反向恢復(fù)中，電流先過(guò)零反向增長(zhǎng)，電流到了反向峰值之前，電壓幾乎不變，之后，電壓才開(kāi)始快速衰減，同時(shí)，電壓的反向峰值滯后于電流方向峰值。

3 PiN結(jié)構(gòu)功率二極管動(dòng)態(tài)特性實(shí)踐教學(xué)

以上從理論上剖析了功率二極管的正向和反向暫態(tài)，因?yàn)橐陨厦枋隼碚撔院軓?qiáng)，學(xué)生初次接觸電力電子和功率器件，很難理解。在此處，如果能結(jié)合實(shí)際的電路和波形，給學(xué)生講解一些實(shí)際測(cè)試結(jié)果，則能加深學(xué)生印象。

同時(shí)，我們的教材和資料、文獻(xiàn)通常強(qiáng)調(diào)二極管的反向恢復(fù)性能和重要性，很少有對(duì)正向暫態(tài)的描述，部分教材給了關(guān)于正向電壓過(guò)沖的定性描述，大部分教材均沒(méi)有給出正向暫態(tài)的波形和講解。隨著功率二極管的發(fā)展，在很多電路中，反向恢復(fù)的性能已經(jīng)獲得很好的解決，而二極管的正向暫態(tài)導(dǎo)致的損耗和可靠性問(wèn)題卻沒(méi)有引起足夠的重視。同時(shí)，因?yàn)槎O管的穩(wěn)態(tài)壓降大約為2 V，所以，學(xué)生會(huì)自然地認(rèn)為正向暫態(tài)過(guò)沖會(huì)在幾伏之內(nèi)。而這是與事實(shí)嚴(yán)重偏離的，有必要進(jìn)行澄清，以下我們將結(jié)合實(shí)測(cè)的波形進(jìn)行講解。

圖7是一個(gè)Buck電路，設(shè)計(jì)功率11 kW，主電路參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 11kW Buck電路參數(shù)

(a)Buck變換器原理圖

實(shí)驗(yàn)中，Buck電路開(kāi)關(guān)管分別采用了兩種類(lèi)型，SiC MOSFET(SCT3040)，IGBT IKW40N120，快恢復(fù)二極管采用DSEI120-12 A(109 A)。

在實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論采用SiC MOSFET還是IGBT，都在功率提升到8 kW附近時(shí)，在風(fēng)冷條件下發(fā)生由二極管導(dǎo)致的炸機(jī)故障。

圖8為炸機(jī)故障后的狀態(tài)。平躺的器件為第一次故障后的器件，站立的為第二次故障后器件，主動(dòng)管和二極管均為2個(gè)并聯(lián)。

圖8 兩次故障后的電路狀態(tài)

從圖8看到，二極管的破壞程度明顯更大，初步判斷二極管首先出現(xiàn)故障，后續(xù)的檢測(cè)也證明了這點(diǎn)。

在接近8 kW功率等級(jí)下，經(jīng)過(guò)對(duì)二極管波形，尤其是開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IGBT開(kāi)通(如圖9)，此時(shí)二極管處于反向恢復(fù)動(dòng)態(tài)時(shí)間，可以看出，因?yàn)槎O管性能較好，反向恢復(fù)電壓非常微小，因此，判斷二極管損壞的主要原因不在于反向恢復(fù)過(guò)程，而在于正向暫態(tài)。

圖9 開(kāi)關(guān)開(kāi)通，二極管反向恢復(fù)過(guò)程

從圖10可以看出，8 kW功率等級(jí)時(shí)，正向暫態(tài)過(guò)沖電壓甚至達(dá)到了160 V，再考慮到此時(shí)正向電流已經(jīng)比較大，所以，會(huì)造成很大的正向損耗，從而造成二極管熱 損壞。

圖10 開(kāi)關(guān)關(guān)斷，二極管正向開(kāi)通過(guò)程

考慮到正向電壓過(guò)沖主要因?yàn)楫a(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)需要時(shí)間，以及在外界電感作用下電流變化率太大所產(chǎn)生。所以，在同樣的功率等級(jí)下，通過(guò)改進(jìn)Buck電路主動(dòng)管IGBT或SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和參數(shù)，使得從主動(dòng)管到二極管的換流過(guò)程變緩，增加換流的時(shí)間，也就是二極管的開(kāi)通時(shí)間，則可以有效減少二極管正向過(guò)沖的幅值，從而減少損耗。經(jīng)過(guò)這樣的改造后，輸出功率順利加到滿(mǎn)功率11 kW，同時(shí)，如圖11所示，同樣在8 kW功率等級(jí)下，二極管正向開(kāi)通暫態(tài)的正向電壓過(guò)沖減少到大約76 V。

圖11 經(jīng)過(guò)改造后的開(kāi)關(guān)關(guān)斷、二極管正向開(kāi)通過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)功率二極管理論性強(qiáng)，現(xiàn)行教材對(duì)于半導(dǎo)體原理解釋不夠深入的問(wèn)題，從PN結(jié)開(kāi)始，結(jié)合功率二極管PiN結(jié)構(gòu)，從半導(dǎo)體原理上解釋?zhuān)兄趯W(xué)生從原理上理解二極管反向恢復(fù)等一系列關(guān)鍵問(wèn)題。

同時(shí)，通過(guò)工程實(shí)例闡述了功率二極管正向暫態(tài)過(guò)程和定量參數(shù)，證明了常被忽略的正向暫態(tài)的重要性，顯示正向暫態(tài)對(duì)于轉(zhuǎn)換效率和可靠性影響很大。