前面已经从关断过程中谈到器件的反向恢复特性,实际上反向恢复过程就是在关断过程中电力半导体内部载流子趋于动态平衡的过程。在实际应用中往往需要非常重视器件的反向恢复过程,所以本节就不同的器件反向恢复特性作一些特别的补充说明。
1.单极型器件的反向恢复特性
理论上讲,单极型器件(MOSFET、肖特基二极管和SIT等)基本上没有反向恢复时间。肖特基二极管尽管是一个势垒器件,但由于结为金属膜表面,恢复极快。而基于SiC的单极型器件更是表现出非常优良的方向恢复特性,可以认为其反向恢复时间为零。
2.结型双极器件的反向恢复特性
结型双极器件的反向恢复特性实际上就是PN结的反向恢复特性。前面已经谈到,它是当PN结从正向导通向反向阻断瞬时的物理现象,中间出现两个物理过程:1)大量载流子被“反向扫出”;2)另一部分载流子在基区内复合而消亡。恢复时间:tRR=t1+t2,大部分故障出在该过程。
尤其是晶闸管类器件的反向恢复特性,其中J1和J3为反向恢复,一般由于J3两边浓度高,t1+t2时间短,只考虑J1反向恢复特性。而同时J2为正向恢复过程——当晶闸管从开通到关断,同样有两个物理过程:1)电流扫出载流子;2)载流子在体内的恢复过程。因此,当器件关断时,J3和J1结先后恢复反向性能,反向电流下降接近于零,这时,N1和P2基区内的过剩载流子没有流向外电路的通道,J2结两侧仍有过剩载流子,J2尚未恢复反向阻断能力,这些载流子主要靠复合而消失,其过程较长。
3.恢复过程中的问题
在关断过程中,反向恢复特性表现出来的一个最重要特征就是电应力的作用。如果与器件连接上有很小的杂散电感,在器件内部有寄生电容,它们为di/dt和du/dt转化成为浪涌电压和电流提供了条件,需要采用相应的措施来应对。比如关断过程中的di/dt经过换流回路的杂散电感转化成为很大的浪涌电压,表现为较大的电压毛刺。一种解决方式是在器件两端并联吸收电容C。如图5-38所示,Cj为器件内部的结电容。这样,存在一个能量转换:
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图5-38 并联吸收电容C
为减小L·di/dt,需要并联大电容C,总电容为C+Cj,使原电感上的能量转移到电容上去,从而达到消弱L·di/dt的作用。
另外,在正向电流过零后t1的时间内,器件进入反向,但仍处于低阻状态,PN结的反向尚未恢复阻断特性。此时有很大的反向电流,但器件上的压降仍为正值。在低阻、高阻之间过渡时,器件最薄弱。因此,希望反向快恢复特性具有“快、软、皮实”等特性,二极管应用时作为吸收、隔离和箝位等功率器件,希望做到:
1)t1+t2=tRR尽量小,即QRR尽量小(快);
2)软化因子s=t2/t1要大,即t2>t1,使后di/dt小,过压小。
实质上,在t2中,由于器件不均匀,电流恢复过程中不均匀,电流幅值不大,但具有较高的di/dt,对应会在器件的承受电压上感应出较大的电压毛刺,这是实际应用中必须注意的问题。
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