2 续流和缓冲二极管
2.1 对续流和缓冲二极管的要求
现代的快速开关器件要求采用快速的二极管作为续流二极管。在每一次开关的开通过程中,续流二极管由导通切换到截止状态。这一过程要求二极管具有软恢复的特性。但是,在很长一段时期里,忽视了快速二极管的作用,使得开关器件工作频率的提高受到了限制。在过去的几年中,它又受到了高度的重视,特别是通过改善它的反向恢复特性而得到了长足的发展。
2一体电感.1.1 反向阻断电压和正向通态电压
由反向阻断电压VR的定义可以知道,二极管在该电压值时的漏电流不得大于临界值IR,如图11所示。
生产商提供的参数表中的数值为温度等于25℃时的值。当温度变低磁环电感器时,反向阻断能力下降。例如,对于一个1200V的二极管来说,它的下降率为1.5V/K。如果在低于室温的情况下运行,这一点在设计线路时应引起特别的注意。
当温度高于室温时,反向阻断电压相应上升,但漏电流也同时上升。所以,通常参数表中还会给出高温(125℃或150℃)下的漏电流值。
正向通态电压VF表示了在给定电流的情况下,二极管在导通状态下的电压降应小于某给定的模压电感临界值。一般说来,这个值是在室温下测得的,但决定系统损耗的主要因素之一却是高温时的正向通态电压。所以,在所有的参数表中又给出了它对温度的依赖性。
2.1.2 开通特性
在二极管进入导通状态的过程中,电压首先升至VFRM,即可重复的正向峰值电压,然后才降至正向通态电压的水平。图12给出了目前通用的有关VFRM和开通时间tfr的定义。
但对于用在IGBT中的续流和缓冲二极管来说,这个定义并不能说明多少问题,因为
1)开通电流的上升率di/dt会很高,以至于象一个1700V二极管的VFRM会达到200~300V。这个数值已是VF的100倍以上。
2)实际应用过程中,二极管是由截止进入导通,由此产生的VFRM要比由零电压进入导通状态高出许多。
对于缓冲二极管来说,因为缓冲电路只有在二极管导通之后才能发挥作用,所以较低的VFRM是它最重要的指标之一。
即使对于反向阻断电压大于1200V的续流二极管来说,可重复的正向峰值电压也有着重要的作用。在IGBT一体成型电感关断时,线路的寄生电感会感应出一个电压尖峰,这个电压尖峰叠加于续流二极管的VFRM之上,二者之和可能导致过电压。
2.1.3 关断特性
在二极管由导通进入截止状态的过程中,它内部所存储的电量必须被释放掉。这个过程导致了二极管的电流反方向流动。这一反方向电流的波形可以用反向恢复特性来描述。
图13表示了一个最简单的测量线路,S代表一个理想开关,IL为一个电流源,Vk是一个用于换流的电压源,Lk是换流电路中的电感。
当合上开关S后,一个软恢复二极管的电流和电压曲线如图14所示。
图14 软恢复二极管的反向恢复过程的电流和电压特性
换流速度di/dt是由电压和电感决定的,即
di/dt=Vk/Lk (7)
在t0时刻,电流到达零点。在tw时刻,二极管开始承受反向电压。此刻,在二极管的pn结内,所有的载流子都得到清除。在tirm时刻时,反向电流达到最大值IRRM。在tirm之后,电流逐步衰减至其漏电流值。它的轨迹完全由二极管所决定。如果衰减过程很陡,称之为刚性恢复特性;如果衰减过程很缓慢,则称之为软性恢复特性。
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