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這期我們來聊一下電力電子變流器主回路用到的二極管，教科書上一般稱之為“電力二極管”。主要是因為此類二極管和電子電路中的普通二極管相比，要處理的電壓、電流等級大很多，可達(dá)kV和kA級。

電子電路中的二極管大家都比較熟悉了，其原理主要基于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。而電力二極管為了承受高電壓和大電流，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和PN結(jié)有所不同，一般采用的結(jié)構(gòu)如圖1所示，中間較寬的為低摻雜濃度的N-漂移區(qū)（也稱為基區(qū)），兩邊較窄的為高摻雜濃度陽極P+區(qū)域和陰極N+區(qū)域，稱為末端區(qū)。N-漂移區(qū)與兩個末端區(qū)交界面分別形成P+N-結(jié)和N-N+結(jié)。由于N-漂移區(qū)摻雜濃度很低，類似于本征半導(dǎo)體（Intrinsic），因此這種結(jié)構(gòu)的二極管也稱為PiN二極管。

圖1 PiN二極管結(jié)構(gòu)及符號

從應(yīng)用的角度看電力二極管主要有兩種類型：整流二極管和續(xù)流二極管。

整流二極管，主要用于50Hz或60Hz的電網(wǎng)頻率，由于電流的換向速度很慢，因此開關(guān)損耗起次要作用。整流二極管的封裝類型根據(jù)功率等級的不同主要有螺栓型，平板型等，如圖2所示。整流二極管的反向恢復(fù)時間較長，多用于開關(guān)頻率低于1kHz的場合，因此器件手冊列表中沒有給出反向恢復(fù)特性這項參數(shù)。

圖2 整流二極管圖片

續(xù)流二極管（Free Wheeling Diode, FWD）在電力電子電路中主要起續(xù)流作用。因為電力電子大部分應(yīng)用場景為感性負(fù)載，在功率器件IGBT或MOSFET的關(guān)斷暫態(tài)，要給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。為了配合IGBT或MOSFET高速開關(guān)，續(xù)流二極管也需要在導(dǎo)通狀態(tài)與阻斷狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換。因此一般選擇快速恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode，F(xiàn)RD）或者肖特基二極管（Schottky Barrier Diode, SBD）來作為續(xù)流二極管。

其中SBD相比FRD速度更快，反向恢復(fù)電流更小，正向壓降也更低，但是所能承受的反向電壓也比較低，一般多用于200V以下的低壓場合（Si SBD）。然而SiC材料的應(yīng)用，使得SiC SBD的反向阻斷能力至少可達(dá)3000V以上[1]。目前部分高壓IGBT混合功率模塊內(nèi)部的續(xù)流二極管采用的就是SiC SBD，此類器件可有效降低二極管的反向恢復(fù)損耗，但是成本相對較高，并沒有得到推廣。因此，基于Si材料的PiN FRD還將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

圖3 SiC-SBD和Si-FRD 對比

PiN 續(xù)流二極管一般以兩種形式存在，一種是和IGBT芯片一塊封裝進(jìn)一個模塊。另外也可以單獨封裝。由于續(xù)流二極管一般配合IGBT使用，考慮到安裝問題，兩者的封裝形式基本一致，如圖4所示。

圖4 IGBT和 PiN FRD 圖片

整流二極管在應(yīng)用過程中相對比較皮實，只要散熱和電壓不出問題，器件本身比較可靠。而續(xù)流二極管為了配合IGBT或MOSFET高頻開關(guān)，需要在短時間內(nèi)實現(xiàn)開通或關(guān)斷，如果在應(yīng)用時不注意很容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此我們重點討論一下續(xù)流二極管。

在這里希望大家建立一種概念，功率器件除了由于自身老化原因?qū)е碌氖?，絕大部分是在電磁瞬態(tài)過程中發(fā)生的失效，因此在變流器的前期研發(fā)過程中，一定要對器件的開關(guān)暫態(tài)特性進(jìn)行全面測試，保證所有的指標(biāo)都在安全工作區(qū)內(nèi)。

同時，由于PiN二極管的不可控特性，在電力電子系統(tǒng)中屬于被動器件，其重要性也往往被忽視。我們都知道，IGBT門極驅(qū)動可以做各種保護(hù)措施（短路、過壓等），而二極管沒有任何保護(hù)措施，完全是“裸跑”。因此，續(xù)流二極管應(yīng)該需要得到你更多的“呵護(hù)”。

為了用好PiN二極管，我們需要重點關(guān)注它的兩個特性，分別為：正向恢復(fù)特性和反向恢復(fù)特性。下面我們對這兩個特性進(jìn)行簡單的描述：

① 正向恢復(fù)特性:

PiN二極管開通瞬態(tài)，陽極和陰極分別將空穴和電子注入到兩端的P+N-結(jié)和N-N+結(jié)，然后，電子和空穴一邊向N−基區(qū)擴(kuò)散，一邊復(fù)合。由于開通瞬態(tài)陽極電流快速增加，但電子和空穴的擴(kuò)散速率有限，在瞬態(tài)情況下，低摻雜的N-基區(qū)載流子濃度很低，所以有較高的電阻。因此在導(dǎo)通初期，二極管的正向壓降隨電流逐漸增大。隨著時間積累，N-基區(qū)過剩載流子不斷累積，濃度逐漸增大，形成電導(dǎo)調(diào)制，二極管的導(dǎo)通壓降逐漸恢復(fù)至正常值。

圖5為PiN二極管正向恢復(fù)波形，PiN二極管的正向恢復(fù)電壓主要對IGBT的關(guān)斷過電壓有影響，在一定程度上會加劇IGBT的過壓尖峰。

圖5 PiN 二極管正向恢復(fù)特性

② 反向恢復(fù)特性

PiN二極管在正向?qū)〞r，N-基區(qū)由于電導(dǎo)調(diào)制存在大量的過剩載流子。當(dāng)突然施加一個反向偏壓時，需要將這些過剩載流子移出，形成反向恢復(fù)電流。基區(qū)過剩電子和空穴的消除存在兩種機(jī)理：一種是因空間電荷區(qū)的擴(kuò)展被電場掃出，形成的掃出電流。掃出電流主要存在于反向恢復(fù)的初期。另一種是拖尾電，由于在二極管反向恢復(fù)的后期，器件已經(jīng)承受反向偏壓，此時載流子主要依靠剩余載流子的復(fù)合消除，復(fù)合壽命的長短決定了反向恢復(fù)電流的拖尾時間。圖6為PiN二極管反向恢復(fù)波形，PiN二極管的反向恢復(fù)特性不僅加劇了IGBT開通暫態(tài)電流尖峰，反向恢復(fù)電流的后邊沿與回路寄生電感作用，會在二極管上形成反向過壓。

圖6 PiN 二極管反向恢復(fù)特性

通俗的講，二極管開通和關(guān)斷都是需要時間的，開通的太快，二極管不能完全打開，因此導(dǎo)通電阻很大。關(guān)斷的太快，二極管也不能完全截止，還有一定的反向電流。

平常我們一般對PiN二極管的反向恢復(fù)特性比較關(guān)注，因為我們在評估器件散熱時，PiN二極管開關(guān)損耗主要就是反向恢復(fù)損耗，同時反向恢復(fù)特性的軟度決定了二極管的過電壓。事實也是如此，二極管的很多失效就是在反向恢復(fù)過程中發(fā)生的。

二極管的正向恢復(fù)特性雖然不像反向恢復(fù)特性對器件本身的影響那么大，但也有必要了解一下，因為二極管正向恢復(fù)特性對IGBT有源鉗位電路設(shè)計有一定的影響，后面我們在詳細(xì)討論該問題。

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參考文獻(xiàn)：

[1] B. Jayant Baliga “Fundamentals of Power Semiconductor Devices”. 2008, pp-110.