IGBT续流二极管的反向恢复特性与优化方法

IGBT续流二极管的反向恢复特性与优化方法

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块中的续流二极管（Free-Wheeling Diode，FRD）是一个关键组件，其反向恢复特性不仅影响二极管本身的损耗和安全工作状态，还对电磁干扰（EMI）特性有着重要影响。本文将深入探讨FRD的反向恢复特性及其优化方法。

FRD的反向恢复特性

FRD通常使用快恢复二极管（Fast Recovery Diode），其最重要的特性之一是反向恢复。这一特性不仅影响二极管本身的损耗和安全工作状态，还对电磁干扰（EMI）特性有着重要影响。

反向恢复的定义

当普通二极管的电流从正向变为反向时，不会立即截止，而是先反向上升一段时间（ts），再经过下降时间（tf）接近0。反向恢复时间（trr）是ts和tf的总和。

IF：反向截止时二极管电流的变化过程。

原因：电荷存储效应，存储电荷耗尽需要的时间（tff）。

影响：影响开关频率，增加反向恢复损耗。

电荷存储效应

电荷存储效应是指在正偏的PN结中，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。这些扩散的载流子在反向电压作用下形成电流，反向恢复过程实际上是少子消失的过程。

空穴在N区是少子，电子在P区也是少子，因此反向恢复过程是由少子导电引起的。

PIN二极管结构

高压IGBT模块中的快恢复二极管通常是PIN结构的二极管。

PIN二极管的定义

PIN二极管是在P型和N型半导体材料之间加入一层低掺杂的本征半导体层，形成的P-I-N结构二极管。常见的结构是P+N-N+，中间的掺杂浓度较低，接近本征半导体。按工艺分为外延和扩散两种。

PIN二极管的特性

优点：耐压高，从几伏到几千伏。

缺点：存在少子存储效应，反向恢复时间长，正向导通压降较高。

对FRD的要求

在使用FRD时，我们通常有以下要求：

• 反向恢复要快：降低反向恢复损耗，提升开关频率。理想状态是没有反向恢复过程。
• 反向恢复电流峰值Irrm要低：减少电流尖峰。
• 恢复特性要“软”：指的是反向恢复电流下降过程中（tf时间段内），电流下降的斜率要小。斜率越大，关断越硬，反之越软。

为什么要求“软”？

• 硬关断的危险：杂散电感会在二极管上叠加电压尖峰，对二极管本身比较危险。
• 电磁干扰（EMI）：电流下降阶段斜率过大会产生电流震荡和电磁干扰。

因此，我们追求快恢复特性和软关断特性。

如何优化FRD

1. 电子辐射

通过电子辐射的方式减小少子寿命，从而获得较短的反向恢复时间，但会增加导通压降。

2. 改进N-层结构

通过改进N-层结构的方式提高软回复特性，但会牺牲一部分损耗。

3. 特殊二极管

存在一些在PIN基础上发展而来的特殊二极管，如LLD（低损耗二极管）和SPEED（发射极注入效率自调整二极管）等。这些二极管在特定应用中表现出更好的性能，但需要根据具体需求选择。

总结

IGBT的续流二极管（FRD）对模块的整体性能有着显著影响。其反向恢复特性不仅影响损耗和安全工作状态，还对电磁干扰（EMI）特性有着重要影响。在设计和使用过程中，我们需要关注反向恢复时间、反向恢复电流峰值和恢复特性。通过优化设计，如电子辐射和改进N-层结构，可以改善快恢复特性和软关断特性，从而提升IGBT模块的性能和可靠性。