IGBT模塊反向恢復(fù)現(xiàn)象

IGBT模塊的反向恢復(fù)現(xiàn)象是指在IGBT關(guān)斷時，其內(nèi)部集成的續(xù)流二極管(FWD)從正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)過程中出現(xiàn)的一些特定物理現(xiàn)象和電氣特性變化。

一、現(xiàn)象表現(xiàn)

1.反向電流峰值

當(dāng)IGBT關(guān)斷瞬間，續(xù)流二極管承受反向電壓，原本正向?qū)〞r存儲在二極管中的大量少子電荷不能立即消失，這些電荷在反向電場作用下形成反向電流，使反向電流迅速上升到一個峰值。

2.反向恢復(fù)時間

從IGBT開始關(guān)斷到反向電流下降到規(guī)定的微小值(如峰值的10%)所經(jīng)歷的時間，稱為反向恢復(fù)時間，它包括電流上升階段的時間和電流下降階段的時間。

3.電壓過沖

在反向恢復(fù)過程中，由于反向電流的快速變化，會在電路中產(chǎn)生電感效應(yīng)，導(dǎo)致續(xù)流二極管兩端出現(xiàn)電壓過沖現(xiàn)象，即反向電壓會超過電源電壓，可能對IGBT模塊及其他電路元件造成損害。

4.這里給出兩個測試條件下的反向恢復(fù)能耗特征值：

(1)Tj=25度;(2)Tj=125度。電流均為IF,NOM(模塊的標(biāo)稱電流)。

二、產(chǎn)生原因

1.少子存儲效應(yīng)

在續(xù)流二極管正向?qū)〞r，P區(qū)的空穴注入到N區(qū)，N區(qū)的電子注入到P區(qū)，這些注入的少子在各自的區(qū)域內(nèi)存儲起來。當(dāng)二極管承受反向電壓時，這些存儲的少子需要通過復(fù)合或漂移的方式消失，從而形成反向恢復(fù)電流。

2.PN結(jié)電容效應(yīng)

續(xù)流二極管的PN結(jié)存在結(jié)電容，在反向恢復(fù)過程中，結(jié)電容需要進(jìn)行充電和放電，這也會影響反向電流的變化和反向恢復(fù)時間。

三、反向恢復(fù)現(xiàn)象影響

1.增加開關(guān)損耗

反向恢復(fù)過程中，電流和電壓的變化會導(dǎo)致額外的能量損耗，使IGBT模塊的開關(guān)損耗增加，降低了電路的效率，同時也會使模塊發(fā)熱加劇。

2.限制開關(guān)頻率

反向恢復(fù)時間的存在限制了IGBT模塊的開關(guān)頻率。如果開關(guān)頻率過高，在反向恢復(fù)還未完成時就進(jìn)行下一次開通，會導(dǎo)致反向恢復(fù)電流與正向電流疊加，進(jìn)一步增加損耗，甚至可能損壞IGBT模塊。

3.產(chǎn)生電磁干擾

反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的電壓過沖和電流突變會產(chǎn)生高頻電磁噪聲，對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電路的正常工作。

四、改善措施

1.優(yōu)化二極管結(jié)構(gòu)

采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，如采用緩沖層結(jié)構(gòu)、優(yōu)化P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度等，減少少子存儲，從而縮短反向恢復(fù)時間，降低反向恢復(fù)電流。

2.選擇合適的材料

選用新型的半導(dǎo)體材料，如碳化硅(SiC)等，SiC二極管具有比傳統(tǒng)硅二極管更短的反向恢復(fù)時間和更低的反向恢復(fù)電流，可有效改善反向恢復(fù)現(xiàn)象。

3.電路設(shè)計優(yōu)化

在電路中加入合適的吸收電路，如RC吸收電路、RCD吸收電路等，通過吸收反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的能量，抑制電壓過沖和電流突變，減小反向恢復(fù)對電路的影響。