IGBT模塊反向恢復現象

IGBT模塊的反向恢復現象是指在IGBT關斷時，其內部集成的續(xù)流二極管(FWD)從正向導通狀態(tài)轉變?yōu)榉聪蚪刂範顟B(tài)過程中出現的一些特定物理現象和電氣特性變化。

一、現象表現

1.反向電流峰值

當IGBT關斷瞬間，續(xù)流二極管承受反向電壓，原本正向導通時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.反向恢復時間

從IGBT開始關斷到反向電流下降到規(guī)定的微小值(如峰值的10%)所經歷的時間，稱為反向恢復時間，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

在反向恢復過程中，由于反向電流的快速變化，會在電路中產生電感效應，導致續(xù)流二極管兩端出現電壓過沖現象，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能耗特征值：

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

二、產生原因

1.少子存儲效應

在續(xù)流二極管正向導通時，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)域內存儲起來。當二極管承受反向電壓時，這些存儲的少子需要通過復合或漂移的方式消失，從而形成反向恢復電流。

2.PN結電容效應

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

三、反向恢復現象影響

1.增加開關損耗

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

2.限制開關頻率

反向恢復時間的存在限制了IGBT模塊的開關頻率。如果開關頻率過高，在反向恢復還未完成時就進行下一次開通，會導致反向恢復電流與正向電流疊加，進一步增加損耗，甚至可能損壞IGBT模塊。

3.產生電磁干擾

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

四、改善措施

1.優(yōu)化二極管結構

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

2.選擇合適的材料

選用新型的半導體材料，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時間和更低的反向恢復電流，可有效改善反向恢復現象。

3.電路設計優(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，通過吸收反向恢復過程中產生的能量，抑制電壓過沖和電流突變，減小反向恢復對電路的影響。