二极管的反向恢复特性及其影响分析

  硅pn结二极管外加正向电压导通时,pn结上会有非平衡少数载流子的积累,形成所谓电荷存储效应。当二极管由正向导通转换为外加负电压截止时,这些存储的少数载流子的消失需要一定时间,这段时间就是二极管的反向恢复时间,这段时间里在二极管中形成的电流即为二极管的反向恢复电流。
 
  正如前面所述,在Boost型PFC电路的硬开关CCM变换中,二极管VD的反向恢复电流会给电路工作带来许多不利影响:除了使di/dt增大、给电路元器件增加电压电流应力之外,较大的反向恢复电流会使VD产生较大的反向恢复损耗,并导致开关管VT的开通损耗增大。这些影响不仅与反向恢复电流的大小有关,而且与反向恢复时间的长短也紧密相关。反向恢复电流越大,反向恢复时间越持久,影响也就越大。

 
  图2示意出图1所示电路中二极管关断过程中开关管VT与二极管VD的电压电流波形以及相应的瞬时功耗波形。图中u_VT、i_VT和P_VT分别是开关管VT的电压、电流和瞬时功耗,u_VD、i_VD和P_VD分别是二极管VD的电压、电流和瞬时功耗。t_rr为二极管VD的反向恢复时间,其大小与二极管VD的反向恢复存储电荷Q_rr和反向压降u_R等大小有关。  
  根据图2,在二极管VD关断过程中,开关管VT的损耗P_VT和二极管VD的损耗P_VD可写为  
  因二极管的反向恢复所导致的二极管和开关管的损耗P_Qn为  
  由图2和式(5-1)-式(5-3)分析不难看出,二极管反向恢复时间t_rr越长,反向恢复电流越大,二极管反向恢复损耗以及由此所导致的开关管开通损耗就越大。并且,因二极管反向恢复所导致的二极管和开关管损耗占了整个关断过程中器件开关损耗的绝大部分。当然，在二极管开通过程中,二极管和开关管也会发生一定的开关损耗,但是与二极管关断时的开关损耗相比,往往要低得多。因此,二极管反向恢复引起的开关损耗是CCM-PFC电路开关损耗的主要成分。对于一般的硅半导体器件,二极管反向恢复引起的损耗会占到仝部开关损耗的70%以上。
 
  但是,对于SiC肖特基二极管,其反向恢复电流却几乎低到可以忽略。通过实验比较三种额定值相同的二极管在不同壳温下的反向恢复特性:一种是SDP04S60 SiC肖特基二极管(4A/600V),另外两种是RURD460超快硅功率二极管(4A/600V)和STTHSR06D软恢复硅功率二极管(5A/600V),如图3所示。
 
  由图3显见,相对于SiC肖特基二极管,超快和软恢复硅功率二极管均有较大的反向恢复电流和较长的反向恢复时间。只是这两种之间相比较,反向恢复电流和反向恢复时间大小不同而已。并且,硅功率二极管的反向恢复电流和反向恢复时间均随温度的增加而增大。这就意味着,如果增高电路工作频率→二极管开关损耗进一步增加→结温上升→反向恢复电流和反向恢复时间增大→二极管反向恢复损耗增加→结温上升…,形成恶性循环,给电路工作带来的问题更趋严重。  
  但是,在图3中,SiC肖特基二极管几乎不存在反向恢复电流,自然也没有反向恢复时间问题。并且,SiC肖特基二极管的反向恢复特性随温度增加几乎看不出有什么变化,展现出良好的热稳定性。这说明,在 Boost型PFC硬开关CCM变换电路中,二极管VD只要简单地釆用SiC肖特基二极管,即可解决传统硅二极管反向恢复电流导致的诸多问题,而不需对原电路和电路工作方式作任何改变。采用SiC肖特基二极管将一个复杂的电路及其控制技术问题变得如此简体现了宽禁带半导体电力电子器件的巨大应用好处和潜力。
 
 
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