Диоды полупроводниковые. Метод измерения времени обратного восстановления. Режим обратного восстановления

Когда диод закрывается, сохраненный в нем заряд должен разрядиться, это приводит к росту тока диода в обратном направлении. Кривая этого тока характеризует режим обратного восстановления диода.

На рис.1.19 показана простейшая цепь для измерения режима.

Рис. 1.19
S - идеальный ключ, I L - источник тока, V K - источник напряжения, L K - индуктивность

После закрывания ключа S, через диод будет протекать ток и напряжение, как это показано на рис.1.20. Этот график служит примером мягкого восстановления диода. На рис.1.21 показаны примеры характеристик диодного тока с резким изменением параметров. Кривая поясняется рисунком 1.20.

Рис.1.20 Характеристики тока и напряжения процесса «мягкого» восстановления диода в цепи на рис.1.19 и определение характеристик режима восстановления

Скорость коммутации dI/dt определяется напряжением и индуктивностью:

- (dI/dt) = (V k /L k) (1.1)

В момент t 0 ток проходит через ноль. В момент tw диод начинает закрываться. При этом pn-переход диода освобождается от носителей заряда. При t irm ток падает до уровня тока утечки, характеристика тока зависит только от диода.

Время обратного восстановления t rr определяется интервалом между t 0 и моментом, когда ток достигает значения 20 % от I RRM . Интервалы t f и t s (рис.1.20) определяются количественными значениями для режима восстановления:

коэффициент «мягкости» s = t f / t s (1.2)

Этого определения недостаточно, потому что характеристика на рис.1.21а может быть резкой. Характеристику на рис.1.21b можно классифицировать как мягкую, t f > t s , но это жесткий срез.

Рис. 1.21. Характеристики тока для двух режимов быстрого восстановления диода

Более точно можно найти коэффициент «мягкости»

Измерения нужно проводить при токе менее чем 10 % и при 200 % установленного тока. Это означает, что малые токи очень влияют на режим обратного восстановления. Перенапряжения можно найти по закону:

V ind = - L k · (dI r /dt) max (1.4)

Поэтому перенапряжения при некоторых условиях измерения или импульс напряжения V M = V K + V ind могут также рассматриваться как характеристики режима обратного восстановления. Но этого определения также недостаточно, так как не учитываются следующие параметры:

1. Температура. Высокие температуры оказывают негативное воздействие на режим восстановления. Но для некоторых быстрых диодов этот режим хуже при температуре окружающей среды или при низких температурах.
2. Приложенное напряжение. Высокое напряжение замедляет обратное восстановление.
3. Скорость нарастания тока dI/dt. Зависимость dI/dt во многом зависит от производителя диодов. Некоторые диоды реагируют более мягко на увеличение dI/dt, другие - более жестко.

Все эти факторы можно не суммировать при одном простом расчете. Поэтому схема на рис.1.19 и соотношения (1.2) или (1.3) применимы только для пояснения влияния какого-либо параметра на режим переключения. Общая оценка режима обратного восстановления может быть произведена только для определенного режима работы диода в схеме. Такая измерительная цепь приведена на рис.1.22.

Рис. 1.22

Рис. 1.23

Пока через IGBT проходит импульсный обратный ток IRPM, напряжение на IGBT все еще равно напряжению V k (1200 В на рис.1.24а). При этом потери мощности включенного состояния максимальны для IGBT.

Характеристику обратного восстановления диода можно разделить на две части:

1. Возрастание обратного импульса тока и соответственно обратного падения тока со скоростью dI r /dt. dI r /dt находится в пределах dI/dt насколько это позволяет диод. Импульсный обратный ток IRPM воздействует на ключ.
2. «Хвост», при этом обратный ток медленно снижается до нуля. Здесь нельзя определить t rr . Основные потери мощности диода возникают в «хвосте», когда напряжение уже приложено к диоду. Быстрый диод без хвостового тока обеспечит меньшие потери коммутации, но может быть непригодным в работе. В IGBT потери при коммутации в этой фазе не столь высоки, так как в этот момент приложенное напряжение уже уменьшилось.

По сравнению с потерями в IGBT, при работе потери в диоде меньше (потери при коммутации в диоде на рис.1.24а приводятся в том же масштабе, что потери в IGBT на рис.1.24b). Для максимального уменьшения потерь в IGBT и в диоде необходимо учесть малый импульс обратного тока и большую часть сохранившегося заряда, который был разряжен в хвостовой фазе. Предел этого - максимальная рассеиваемая мощность диода.

Рис. 1.24. Ток, напряжение и потери мощности при включении IGBT (а) и выключении диода (b), которые были измерены в схеме на рис.1.22

Импульсный обратный ток восстановления IRPM - наиболее важный параметр диода, влияющий на общие потери, поэтому его необходимо минимизировать.

V(t) = - Vk - L q ges · (dI r /dt) + V CE(t) (1.5)

На рис.1.25 приведен пример режима восстановления по этому способу. При этих условиях перенапряжения в CAL-диодах сравниваются с диодами, время жизни носителей заряда в которых устанавливается платиновой диффузией, CAL-диоды работают с мягкими условиями восстановления за счет уменьшенной эффективности р- эмиттера. Диоды с платиной становятся такими же «мягкими», как и CAL-диоды при номинальном токе (75 А).

Но меньшие токи вызовут максимальные перенапряжения, более 100 В при 10 % номинального тока из-за быстрых параметров переключения. Но в CAL-диодах не будет значительных перенапряжений при любых условиях.

Рис. 1.25. Выброс напряжения при коммутации в зависимости от прямого тока диода

Все дальнейшие объяснения в этом руководстве основаны на следующем определении: Диод работает в режиме мягкого восстановления, если при любых параметрах в схеме не возникает перенапряжений, вызванных спадом обратного тока диода. Любые параметры - это номинальный диапазон токов, все частоты коммутации схемы при температуре от -50°С до +150°С. Это определение верно, если dI/dt не слишком высоко (> 6 кА/мкс) или в схеме достаточно большая индуктивность (> 50 нГн), что также может вызвать выбросы напряжения.

Не менее важным требованием к обратным диодам на напряжение от 100 В (несмотря на мягкий режим коммутации) является динамическая устойчивость. На рис.1.24b показано, что пока через диод протекает хвост тока, к нему приложено почти все входное постоянное напряжение. Если IGBT переключается очень резко (малое сопротивление затвора RG), будут расти обратный и хвостовой токи, вместе с которыми уменьшается напряжение VCE на IGBT, которое коммутирует диод с большей скоростью dV/dt. Плотность проводящих ток носителей заряда (дыр) поэтому будет выше исходной плотности, вследствие чего произойдет пробой в полупроводнике при напряжении, намного ниже обратного уровня (динамический пробой). Для управления этими процессами существует характеристика динамической устойчивости обратных диодов. Динамическая устойчивость определяется следующим образом:

Динамическая устойчивость - способность диода выдерживать высокие скорости коммутации di/dt и высокие напряжения в одно и тоже время.

Если диод имеет незначительную динамическую устойчивость, ограничивает di/dt IGBT или работает только с максимальным обратным выбросом тока, допускается увеличение потерь на переключение.

При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде на основе обычного p-n перехода значение тока через диод, соответствующее статической вольт-амперной характеристике, устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением неосновных носителей в базе диода при его прямом включении и их рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует, то движение неосновных носителей в базе определяется законами диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на динамические свойства диодов в режиме переключения.

Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение. На рисунке 4.20 показаны эпюры изменения напряжения и тока на диоде.

Рис. 4.20. Эпюры изменения напряжения и тока при переключении диода:
а) напряжение; б) ток

В стационарном случае величина тока в диоде описывается уравнением . После завершения переходных процессов величина тока в диоде будет равна J 0 .

Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока p-n перехода при переключении с прямого напряжения на обратное. При прямом смещении диода на основе несимметричного p-n перехода происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода.

Изменение во времени и пространстве неравновесных инжектированных дырок в базе описывается уравнением непрерывности:

В момент времени t = 0 распределение инжектированных носителей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид:

Из общих положений ясно, что в момент переключения напряжения в диоде с прямого на обратное величина обратного тока будет существенно больше, чем тепловой ток диода. Это произойдет потому, что обратный ток диода обусловлен дрейфовой компонентой тока, а ее величина в свою очередь определяется концентрацией неосновных носителей. Эта концентрация значительно увеличена в базе диода за счет инжекции дырок из эмиттера и описывается в начальный момент уравнением (4.26).

С течением времени концентрация неравновесных носителей будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За время t 2 , называемое временем восстановления обратного сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к значению, равному тепловому току.

Для описания кинетики этого процесса запишем граничные и начальные условия для уравнения (4.25) в следующем виде.

В момент времени t = 0 справедливо уравнение (4.26). При установлении стационарного состояния в момент времени t → ∞ стационарное распределение неравновесных носителей в базе описывается соотношением: .

Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе области пространственного заряда p-n перехода:

Процедура нахождения кинетики обратного тока следующая. Учитывая граничные условия, решается уравнение (4.25) и находится зависимость концентрации неравновесных носителей в базе p(x,t) от времени и координаты. На рисунке 4.21 приведены координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени.

Рис. 4.21. Координатные зависимости концентрации p(x,t) в различные моменты времени

Подставляя динамическую концентрацию p(x,t) в (4.27), находим кинетическую зависимость обратного тока J(t).

Зависимость обратного тока J(t) имеет следующий вид:

Здесь - дополнительная функция распределения ошибок, равная . Первое разложение дополнительной функции ошибок имеет вид: .

Разложим функцию (4.28) в ряд в случаях малых и больших времен: t > τ p . Получаем :

Из соотношения (4.30) следует, что в момент t = 0 величина обратного тока будет бесконечно большой. Физическим ограничением для этого тока будет служить максимальный ток, который может протекать через омическое сопротивление базы диода r Б при обратном напряжении U. Величина этого тока, называемого током среза J ср, равна: J ср = U/r Б.

Рис. 4.22. Зависимость обратного тока от времени при переключении диода

Время, в течение которого обратный ток постоянен, называют временем среза.

Для импульсных диодов время среза τ ср и время восстановления τ в обратного сопротивления диода являются важными параметрами. Для уменьшения их значения существуют несколько способов. Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носителей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных центров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители рекомбинировали на тыльной стороне базы.

Glen Chenier

На днях Линда из отдела снабжения зашла ко мне с проблемой: Лу из конструкторского отдела попросил ее найти замену для диода, сгоревшего в импульсном источнике питания. Чертова штука была маркирована странным номером, расшифровать который не помогло никакое гугление.

На корпусе был узнаваемый логотип изготовителя, но запросить у него справочные данные не представлялось возможным - маркировка типа осталась от давно проданной компании и в последующем никем не использовалась. Оставалось попытаться решить проблему самостоятельно.

По счастью в ЗиПе имелась вторая идентичная деталь, и Лу смог предоставить мне исправный диод того же типа. Теперь мне лишь оставалось выяснить, что же это такое. Обычный выпрямительный диод? Стабилитрон? Диод Шоттки? Какое обратное пробивное напряжение? Емкость перехода? Время восстановления?

Из размеров корпуса DO-41 несложно было заключить, что допустимая мощность составляет один ватт. Не составляло также труда пропустить различные токи и измерить прямое падение напряжения, чтобы убедиться, что это не диод Шоттки. Соединив последовательно несколько источников питания и постепенно увеличивая обратное напряжение (с токоограничительным резистором соответствующего сопротивления на случай достижения пробивного напряжения стабилитрона), я убедился, что это не стабилитрон - по крайней мере, в пределах испытательного напряжения 200 В.

Задача оценки требуемого максимально допустимого обратного напряжения могла быть решена путем первоначальной замены в схеме источника питания проверяемого прибора высоковольтным диодом и последующим измерением падающего на нем напряжения.

Таким образом, неизвестными остаются только емкость перехода C J и время восстановления обратного сопротивления T RR . Это время, в течение которого диод остается в проводящем состоянии после резкой смены прямого напряжения на обратное. Я должен был найти способ измерения этих параметров. И без какого-либо экзотического оборудования, лишь с тем, что необходимо для грубой оценки, другими словами, все, с чем я должен был работать - это функциональный генератор с временем спада 40 нс и 100-мегагерцовый осциллограф.

Измерительная установка была очень простой. На проверяемый диод подавались 5-вольтовые импульсы с таким постоянным смещением, чтобы диод открывался только на время положительных пиков импульсов. Осциллограф, подключенный к обоим выводам диода, синхронизировался отрицательным фронтом импульса генератора. Меняя постоянное напряжение смещения, можно было управлять прямым напряжением и током проводимости диода. Ток проводимости исследуемого диода измерялся по падению напряжения на последовательном сопротивлении 50 Ом.

Первые, что требовалось сделать - оценить работоспособность измерительной установки. Насколько адекватно эти доморощенные испытания отражают реальные характеристики диодов? Это было проверено путем измерений нескольких диодов с известными параметрами и сравнения результатов с информацией из технической документации. Я протестировал следующие диоды, и нашел результаты весьма интересными:

1. - используемый в повседневной практике стандартный выпрямитель с указанным значением C J = 15 пФ и неизвестным T RR ;
2. - быстродействующий переключающий диод с указанными значениями C J = 4 пФ и T RR = 8 нс;
3. - сильноточный выпрямительный диод с быстрым восстановлением и указанными значениями C J = 300 пФ и T RR = 200 нс;
4. Загадочный объект.

Для удобства сравнения масштаб по оси времени для всех осциллограмм выбран одинаковым и равным 100 нс/дел.

Это наглядно демонстрирует, насколько хорошо стандартный выпрямительный диод подходит для частоты 50 или 60 Гц, где постепенное плавное изменение обратного смещения происходит за время, намного превышающее T RR . Но вы можете видеть, что в режиме резких переключений диод становится виртуальным коротким замыканием на значительную часть периода. Нехорошо.

Теперь давайте, сравним предыдущие результаты с диодом 1N4148.

Постоянное смещение и амплитуда импульса установлены такими, чтобы через открытый 1N4148 протекал ток, предельный для используемого генератора. 50-омный согласующий резистор на входе испытываемого диода был на время удален, чтобы получить максимальный прямой ток 100 мА, однако даже при таких условиях обратный ток был настолько мал, что измерить его не представлялось возможным. Обратите внимание, что для этой осциллограммы масштаб по вертикали был временно изменен на 5 В/дел.

Небольшое время T RR делает диод пригодным для использования в сильноточных переключающих схемах, но даже при этом одним из факторов, ограничивающих рабочую частоту, будет то, как быстро диод выходит из состояния проводимости. Обойти это ограничение можно заменой диодов синхронно управляемыми МОП-транзисторами.

И, наконец, мы возьмем неизвестный диод.

Как и в предыдущем опыте, неизвестный диод испытывался при предельном выходном токе генератора. Прямой и обратный токи одинаковы и равны 100 мА. Масштаб по вертикали на время был увеличен до 5 В/дел. Время восстановления обратного сопротивления осталось равным 200 нс.

Опираясь на проведенные измерения, можно было заключить, что хорошим выбором для замены неизвестного диода с быстрым восстановлением могут быть UF4004 или UF4007. Я попросил Линду приобрести оба и предложить Лу первым испробовать 1000-вольтовый UF4007, чтобы, измерив падающее на нем обратное напряжение, определить, можно ли там использовать 400-вольтовый , чья вольтамперная характеристика ближе к неизвестному диоду.