二極管的反向恢復特性及其影響分析

  硅pn結二極管外加正向電壓導通時,pn結上會有非平衡少數(shù)載流子的積累,形成所謂電荷存儲效應。當二極管由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為外加負電壓截止時,這些存儲的少數(shù)載流子的消失需要一定時間,這段時間就是二極管的反向恢復時間,這段時間里在二極管中形成的電流即為二極管的反向恢復電流。
 
  正如前面所述,在Boost型PFC電路的硬開關CCM變換中,二極管VD的反向恢復電流會給電路工作帶來許多不利影響:除了使di/dt增大、給電路元器件增加電壓電流應力之外,較大的反向恢復電流會使VD產(chǎn)生較大的反向恢復損耗,并導致開關管VT的開通損耗增大。這些影響不僅與反向恢復電流的大小有關,而且與反向恢復時間的長短也緊密相關。反向恢復電流越大,反向恢復時間越持久,影響也就越大。

 
  圖2示意出圖1所示電路中二極管關斷過程中開關管VT與二極管VD的電壓電流波形以及相應的瞬時功耗波形。圖中u_VT、i_VT和P_VT分別是開關管VT的電壓、電流和瞬時功耗,u_VD、i_VD和P_VD分別是二極管VD的電壓、電流和瞬時功耗。t_rr為二極管VD的反向恢復時間,其大小與二極管VD的反向恢復存儲電荷Q_rr和反向壓降u_R等大小有關。  
  根據(jù)圖2,在二極管VD關斷過程中,開關管VT的損耗P_VT和二極管VD的損耗P_VD可寫為  
  因二極管的反向恢復所導致的二極管和開關管的損耗P_Qn為  
  由圖2和式(5-1)-式(5-3)分析不難看出,二極管反向恢復時間t_rr越長,反向恢復電流越大,二極管反向恢復損耗以及由此所導致的開關管開通損耗就越大。并且,因二極管反向恢復所導致的二極管和開關管損耗占了整個關斷過程中器件開關損耗的絕大部分。當然，在二極管開通過程中,二極管和開關管也會發(fā)生一定的開關損耗,但是與二極管關斷時的開關損耗相比,往往要低得多。因此,二極管反向恢復引起的開關損耗是CCM-PFC電路開關損耗的主要成分。對于一般的硅半導體器件,二極管反向恢復引起的損耗會占到仝部開關損耗的70%以上。
 
  但是,對于SiC肖特基二極管,其反向恢復電流卻幾乎低到可以忽略。通過實驗比較三種額定值相同的二極管在不同殼溫下的反向恢復特性:一種是SDP04S60 SiC肖特基二極管(4A/600V),另外兩種是RURD460超快硅功率二極管(4A/600V)和STTHSR06D軟恢復硅功率二極管(5A/600V),如圖3所示。
 
  由圖3顯見,相對于SiC肖特基二極管,超快和軟恢復硅功率二極管均有較大的反向恢復電流和較長的反向恢復時間。只是這兩種之間相比較,反向恢復電流和反向恢復時間大小不同而已。并且,硅功率二極管的反向恢復電流和反向恢復時間均隨溫度的增加而增大。這就意味著,如果增高電路工作頻率→二極管開關損耗進一步增加→結溫上升→反向恢復電流和反向恢復時間增大→二極管反向恢復損耗增加→結溫上升…,形成惡性循環(huán),給電路工作帶來的問題更趨嚴重。  
  但是,在圖3中,SiC肖特基二極管幾乎不存在反向恢復電流,自然也沒有反向恢復時間問題。并且,SiC肖特基二極管的反向恢復特性隨溫度增加幾乎看不出有什么變化,展現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。這說明,在 Boost型PFC硬開關CCM變換電路中,二極管VD只要簡單地釆用SiC肖特基二極管,即可解決傳統(tǒng)硅二極管反向恢復電流導致的諸多問題,而不需對原電路和電路工作方式作任何改變。采用SiC肖特基二極管將一個復雜的電路及其控制技術問題變得如此簡體現(xiàn)了寬禁帶半導體電力電子器件的巨大應用好處和潛力。
 
 
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