功率二極管開關動態過程研究和教學

王 勇，佘 焱，孫 佳，吳建東

(上海交通大學 電氣工程系，上海200240)

0 引言

功率器件是“電力電子技術”教學中的第一部分，是理解后續各種拓撲電路工作原理的基礎[1-2]。而PN結及功率二極管PiN結構的深入理解又是分析功率器件的基礎。本文結合自編教材《電力電子技術》中有關內容，從半導體物理層面，深入刨析功率二極管的工作原理。同時，多數教材和論文主要關注二極管的反向恢復暫態，反向恢復也被認為是器件損耗、EMC等的主要原因[3-4]。本文通過理論分析和案例剖析，結合實際工程實踐，指出隨著功率二極管技術的發展，正向暫態往往是導致系統故障的主要原因，但卻容易在教學和科研中被忽略。

1 PiN結構功率二極管半導體原理深度剖析

圖1表示了PN結熱平衡時的空間電荷區狀態，以及正偏狀態下的少子分布。

圖1 PN結原理與正偏少子濃度分布曲線

需要強調的是，電力電子電路中用到的功率二極管為PiN結構，如圖2所示。

圖2 功率二極管PiN結構示意圖

圖1(d)中正偏狀態下的儲存少子濃度曲線是針對常規的PN結，而對于功率二極管的PiN結構，在正偏狀態下的儲存少子濃度分布示意圖如圖3所示[5]，這一點在現行教材中較少提及。而在P+N-和N-N+兩個耗盡層之間的低摻雜N-層，少子的分布濃度較高，甚至超過了N-層的多子濃度，且近似為一根平滑的曲線。這與普通的PN結二極管有較大區別，也是理解功率二極管動態開關過程的關鍵。

圖3 功率二極管正偏下的少子濃度分布曲線

2 PiN結構功率二極管動態開關過程分析

圖4表示了二極管的動態開關過程波形。

圖4 功率二極管開通和關斷動態波形

2.1 由正向偏置轉換為反向偏置

如圖4所示，反偏后，功率二極管并不能立即關斷，而是須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態。在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。t3區間在反向電壓作用下，正向電流下降到零。t3末期雖然正向電流下降到零，但功率二極管的空間電荷區兩側(特別是多摻雜N區)儲存有大量少子的緣故而并沒有恢復反向阻斷能力，這些少子在外加反向電壓的作用下被抽取出功率二極管，因而流過較大的反向電流。而抽取的過程又可以分為t4區間和t5區間。在抽取過程中，只要N-區兩端還有儲存少子，P+N-，N+N-兩個耗盡層將仍然保持正偏，所以圖4中二極管端電壓改變很小，只有很小的下降。但經過反向電流較長時間對于儲存少子的掃除，也就是圖示的t4末期，兩個耗盡層附近的儲存少子變零，P+N-，N+N-耗盡層變成反偏，二極管端電壓變負。在t4區間，低摻雜N-區的少子濃度分布可以用圖5中的ta～tf表示。

圖5 t4區間N-低摻雜區少子濃度變化趨勢

外加反向電壓從t5區間開始抽取離空間電荷區較遠的少子。由于離空間電荷區較遠的少子相比于空間電荷區附近的儲存少子濃度低很多，所以，t5時刻開始反向電流從其最大值Irr開始迅速下降，空間電荷區開始迅速展寬。同時，正因為電流迅速下降，加上外電路寄生電感的作用，將產生很大的反向電壓Vrr。t5末期，反向電流降為零，PN結電壓等于外部所加電壓，功率二極管開始重新恢復對反向電壓的阻斷能力。

2.2 由反向偏置轉換為正向偏置

圖4同樣給出了功率二極管由零偏置轉換為正向偏置時其動態過程的波形。可以看出，在這一動態過程中，功率二極管的正向壓降也會先出現一個過沖VFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值(如2 V)。這一動態過程時間被稱為正向恢復時間tfr。出現電壓過沖的原因主要是電導調制效應起作用需要一定的時間，所以，在達到穩態導通之前管壓降較大；同時，正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降，所以，電流上升率越大，VFP越高。

2.3 從等效電路來講解功率二極管動態過程

以上從半導體原理解釋正向和反向暫態過程，實際教學中，當單獨講解電壓或者電流變化趨勢時，學生較易理解，但解釋電壓和電流之間的前后、相位關系時，學生比較難理解。例如圖4中，電壓電流的過零點和峰值之間的相位關系。因此，我們在實際教學中，從如圖6所示的二極管等效電路出發，給出第二種方法來理解暫態過程，這種方法從基本的電路原理即可理解。

圖6 功率二極管的動態模型

可以認為功率二極管等效電路中，正向導通時R很小，C很大，而反向導通時正好相反。因為等效電路的電容特性，所以，隨著AK電壓的變化，電壓和電流之間呈現容性，即電壓滯后于電流的相位和變化。同時，C呈現非線性變化，所以電流和電壓之間的相位差大小也在變化。從這個角度就比較容易理解圖4中的電壓電流波形。例如正向導通中，電壓滯后電流的變化趨勢，同時電流穩定后，電壓還要經過一段時間后才進入穩態，達到正向穩態電壓大約為1～2 V。同理，在反向恢復中，電流先過零反向增長，電流到了反向峰值之前，電壓幾乎不變，之后，電壓才開始快速衰減，同時，電壓的反向峰值滯后于電流方向峰值。

3 PiN結構功率二極管動態特性實踐教學

以上從理論上剖析了功率二極管的正向和反向暫態，因為以上描述理論性很強，學生初次接觸電力電子和功率器件，很難理解。在此處，如果能結合實際的電路和波形，給學生講解一些實際測試結果，則能加深學生印象。

同時，我們的教材和資料、文獻通常強調二極管的反向恢復性能和重要性，很少有對正向暫態的描述，部分教材給了關于正向電壓過沖的定性描述，大部分教材均沒有給出正向暫態的波形和講解。隨著功率二極管的發展，在很多電路中，反向恢復的性能已經獲得很好的解決，而二極管的正向暫態導致的損耗和可靠性問題卻沒有引起足夠的重視。同時，因為二極管的穩態壓降大約為2 V，所以，學生會自然地認為正向暫態過沖會在幾伏之內。而這是與事實嚴重偏離的，有必要進行澄清，以下我們將結合實測的波形進行講解。

圖7是一個Buck電路，設計功率11 kW，主電路參數見表1。

表1 11kW Buck電路參數

(a)Buck變換器原理圖

實驗中，Buck電路開關管分別采用了兩種類型，SiC MOSFET(SCT3040)，IGBT IKW40N120，快恢復二極管采用DSEI120-12 A(109 A)。

在實驗中，無論采用SiC MOSFET還是IGBT，都在功率提升到8 kW附近時，在風冷條件下發生由二極管導致的炸機故障。

圖8為炸機故障后的狀態。平躺的器件為第一次故障后的器件，站立的為第二次故障后器件，主動管和二極管均為2個并聯。

圖8 兩次故障后的電路狀態

從圖8看到，二極管的破壞程度明顯更大，初步判斷二極管首先出現故障，后續的檢測也證明了這點。

在接近8 kW功率等級下，經過對二極管波形，尤其是開通和關斷過程波形分析發現，當IGBT開通(如圖9)，此時二極管處于反向恢復動態時間，可以看出，因為二極管性能較好，反向恢復電壓非常微小，因此，判斷二極管損壞的主要原因不在于反向恢復過程，而在于正向暫態。

圖9 開關開通，二極管反向恢復過程

從圖10可以看出，8 kW功率等級時，正向暫態過沖電壓甚至達到了160 V，再考慮到此時正向電流已經比較大，所以，會造成很大的正向損耗，從而造成二極管熱 損壞。

圖10 開關關斷，二極管正向開通過程

考慮到正向電壓過沖主要因為產生電導調制效應需要時間，以及在外界電感作用下電流變化率太大所產生。所以，在同樣的功率等級下，通過改進Buck電路主動管IGBT或SiC MOSFET的驅動電路設計和參數，使得從主動管到二極管的換流過程變緩，增加換流的時間，也就是二極管的開通時間，則可以有效減少二極管正向過沖的幅值，從而減少損耗。經過這樣的改造后，輸出功率順利加到滿功率11 kW，同時，如圖11所示，同樣在8 kW功率等級下，二極管正向開通暫態的正向電壓過沖減少到大約76 V。

圖11 經過改造后的開關關斷、二極管正向開通過程

4 結語

本文針對功率二極管理論性強，現行教材對于半導體原理解釋不夠深入的問題，從PN結開始，結合功率二極管PiN結構，從半導體原理上解釋，有助于學生從原理上理解二極管反向恢復等一系列關鍵問題。

同時，通過工程實例闡述了功率二極管正向暫態過程和定量參數，證明了常被忽略的正向暫態的重要性，顯示正向暫態對于轉換效率和可靠性影響很大。