CN103929156A - 一种用于抵制二极管内反向恢复电荷的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制二极管内反向恢复电荷的系统，该系统为正向偏置连接于二极管（DUT）两端的电流注入电路，该电流注入电路包括用阶跃恢复二极管（SRD）构成的脉冲nS级脉冲信号发生器，及紧接其后以隧穿二极管（BG2）及反向二极管（BG1）构成的用于加速脉冲的上升沿时间和下降沿时间的脉冲边沿加速电路。本发明的优点是：能改善二极管（DUT）的反向恢复特性，降低反向恢复电荷和反向恢复时间，同时能降低二极管的开关损耗和传导损耗，抑制电磁干扰和浪涌发生，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体和电子技术领域，具体是指一种用于抵制二极管的反向恢复电荷的电路系统。
背景技术
功率二极管、阶跃二极管、IGBT、晶闸管以及快恢复二极管等功率半导体器件广泛应用于电力电子领域，这些器件在正反向电压的转换过程中存在反向恢复特性[孙涛，徐大林，双管正激中二极管反向恢复的研究和抑制[J]，电源技术，2010年第1期：57-59.]，即其器件内存储的电荷要经历一段时间才完全消失，这将在电路系统中引起电磁干扰。
而这些功率半导体二极管，要求反向恢复电荷少、反向恢复时间短、以减少电磁干扰，抑制浪涌发生。同时，当功率二极管由正向导通变为反向偏置的状态时，储存在管内漂移区的电荷会阻止器件立即恢复到反向截止状态，产生了反向恢复特性和反向恢复电荷，减少反向恢复电荷也就间接地减少了对最高工作频率的限制。
目前，为了改进二极管的反向恢复特性，器件制造商们在工艺阶段用载流子寿命控制技术来引进复合中心，但这导致了二极管的通态损耗和击穿耐压、开关速度之间的失衡。也可选择碳化硅材料来制造器件，但价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种有效抵消反向恢复电荷，改善反向恢复特性，缩短反向恢复时间的电子系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是该该装置为正向偏置于被测功率二极管（DUT）两端的电流注入电路，注入电流为mA—A范围，所述电流注入电路包括nS级脉冲发生器和串联于其后的用于加速脉冲的上升沿时间和下降沿时间的脉冲边沿加速电路。
进一步设置是所述的nS级脉冲发生器包括构成主回路的正弦波信号源（VS，其频率fs=100±10MHz，功率20±2dBm）、调节电阻（Rg）和阶跃恢复二极管（SRD，可选用工业与信息化部第55研究所的WY411C、2CJ4211/2CJ4212以及美国MACOM公司的MA44768、美国Metelics公司的SMMD830），阶跃恢复二极管（SRD）的两端为脉冲信号输出端，nS级触发脉冲发生器的还包括有连接于主回路上的稳定自偏置电路、低通谐振匹配电路和激励谐振电路。其中稳定自偏置电路由电容（Cb）、电感（Lb）和电阻（Rb）构成，Cb和Lb的截止频率为fT=(0.5—2)fs。低通谐振匹配电路由电感（LM）和电容（CM）构成，两者取值受正弦波信号源（VS）内阻及频率、激励电感（L）限制。激励谐振电路由激励电感（L）和电容（CT）构成，谐振在信号源VS频率fs之上，其中L与脉冲宽度及SRD的反向电容Cj有关。
本设置的技术方案的nS级脉冲发生器的不同于文献的思想[陈炯, 尹毅, 肖登明，脉宽和幅值可调的新型超窄脉冲发生器的研制[J]，高电压技术，2005年第31卷第5期：39-40，49；张祥龙 王 毅 田付强 施洪生，双极性与单极性ns级高压脉冲电源设计及特性比较[J]，高电压技术，2012年第38卷第4期：963-970；贺元吉，张亚洲，李传胪，一种高压ns级脉冲形成电路[J]，高电压技术，2000年第26卷第4期：13-15.]。
进一步设置的进一步设置的所述的脉冲边沿加速电路包括隧道二极管（BG2）以及与隧道二极管（BG2）串联的反向二极管（BG1）（如1N5341型），所述反向二极管（BG1）是一种齐纳隧穿二极管，隧道二极管（BG2）与反向二极管（BG1）构成串联稳压，用于控制以高频放大管（BG3）（如C3355型）构成的共射放大电路的静态工作点，以放大脉冲电压幅度，所述脉冲边沿加速电路还包括以高频大功率管（BG4）（如BLF861型）构成的射极跟随器，以放大脉冲的电流幅度。输出脉冲Uo的高电平可达到约18伏。由于隧道二极管的响应速度特别快，输出Uo电平可迅速响应输入脉冲高低电平的变化，所以输出脉冲的前后沿很陡，所述脉冲边沿加速电路起到了脉冲边沿加速的作用。
本发明思路的脉冲边沿加速电路明显区别于发射极耦合逻辑（ECL）电路的办法，也不同于文献的思想[张嘉岷，王厚军，付在明，电子测量技术，2007年第30卷第7期：175-177，徐地华，曹勇，梅领亮，秦开宇，陈伯平，超快边沿阶跃脉冲发生器，中国实用新型专利，专利号200920264756.1；斯蒂芬·J，鲍姆加特纳，布拉德·安东尼，纳兹克，脉冲整形电路，中国发明专利，专利号200610138094.4.]。
nS级脉冲发生器和紧接其后的脉冲边沿加速电路的功能就是，输出的陡峭脉冲后沿能严格与DUT所加载的反向脉冲的后沿严格对准，精确地控制电流注入的临界时间，使其不会过早和延迟注入，从而能有效地减少功率二极管（DUT）内的反向恢复电荷。
本发明的优点是：此技术方案能改善二极管的反向恢复特性，减少反向恢复电荷，缩短反向恢复时间，同时降低器件的开关损耗和传导损耗，提高电路系统的效率，抑制电磁干扰和浪涌发生。
上述效果，请参阅下文实施例和对比例。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。
附图说明
图1 功率二极管的关断时的电流、电压瞬时特性曲线；
图2 功率二极管反向恢复特性测试电路；
图3 图2的被测二极管（DUT）的反向恢复电流波形；
图4图2的被测二极管（DUT）正反时序脉冲图；
图5本实施例应用于反向恢复特性测试电路的电路图；
图6 本实施例所测得的加入电流注入电路后的被测二极管（DUT）反向恢复特性曲线；
图7 本实施例所用的nS级脉冲发生器及随后连接的脉冲边沿加速电路的总体图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
为了进行比较以说明本申请的技术效果，下面补充说明以功率二极管作为被测二极管（DUT），且以没有采用本申请的电流注入电路来做对比例，并补充了相关的测试结果说明。
对比例和测试结果说明
图1是功率二极管在反向恢复时的电流(i)和电压(V)随时间变化的示意图。由半导体器件物理可知，在正向电流开始下降至该电流逐渐减少至零，di/dt的值由外电路电感和外加反向电压所决定。在ta时段内，电流降到零以后就变为负值，在功率二极管内的漂移区中储存了电子电荷。在tb时段内，存储的少子在复合作用下，逐渐减小到零。同时空间电荷区开始不断向外扩展，载流子被反向抽取，电流降到负值最大以后又逐步变为0。从图1可见，功率二极管的反向恢复电荷（Reverse Recovered Charge, Qrr）由反向恢复电流、反向恢复时间决定，它受到元件参数和外部工作条件的影响。元件参数包括器件的形状、掺杂分布、漂移区的长度和电阻率、少数载流子寿命等在内因素，只能在器件制造过程中调整。外部因素有漏电感、外加电压、电流变化率di/dt、正向电流和结温等。在电子系统电路的设计中，这些外部因素可以被改进。
如图2所示，被测二极管(DUT, diode under test)在反向偏压之后，还有一个短时的下降至0的正向电流。一个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)控制了电路的正向传导，使DUT进入一个脉冲电流的低阻抗状态。在脉冲结束时，反向电路受到一个半导体闸流管(Semiconductor Thyristor)的控制，触发一个负电压脉冲，通过改变反向电压从而改变了电流变化率di/dt，使二极管进入反向恢复过程。在此过程中，通过调整电流变化率di/dt，DUT可以呈现软恢复(无浪涌电流)和硬恢复(有浪涌电流)的特性，即，这个电路能够反映电路参量的作用与DUT反向恢复过程的关系。
图2中两个高耐压低电感的电容(C1，C2)是带电的，可以提供高达1 kV的可变高压。可用数字万用表可测得电容两端的电压，可用电流变送器输出DUT的电流，用示波器可以测得DUT的反向恢复特性，如图3所示。
的正反向时序脉冲
图4显示了图2中IGBT和半导体闸流管所需的触发时序，这个触发时序通过一个电子电路来控制。图中标注为通道I(CH I)的宽脉冲能触发IGBT进入导通状态，它给DUT提供足够长时间的脉冲电流导致DUT发生电导调制并给DUT加热。通道II (CH II)是在IGBT的宽脉冲即将结束时半导体闸流管受到的一个窄脉冲，它使DUT加上负电压，从而使DUT进入反向恢复阶段。对通道I(CH I)的宽脉冲要求一般，但对通道II (CH II)的窄脉冲要求较高，边缘上升、下降速度达到几十A/μS以上，且不同DUT的要求不一样，可参见文献[宁小玲，关于如何正确测量二极管反向恢复时间的探讨[J]，电子产品可靠性与环境试验，Vol.33, No.1 (1994): 48-53.]。
实施例
该实施例电路如图5所示。对比图2的电路可见，在图5中增加了一个电流注入电路(虚线框内的部分)如图7所示，这是实现DUT反向恢复电荷Qrr减少所必需的。当DUT突然被反向偏置，在DUT漂移区的Qrr能阻止二极管立即反向截止，而要经历一个如图1的反向恢复过程。此时，电流注入电路用一个与DUT的最大负值电流成正比的外部电路——nS级脉冲信号发生器和紧连其后的脉冲边沿加速电路注入一个附加电流，这个附加电流有利于DUT减少直至消除Qrr，阻止器件通过过大的反向电流，使DUT的Qrr及反向恢复时间trr迅速下降。
图6是增加了电流注入电路后测得DUT的反向恢复电流波形。对比图6与图3发现，图6中的反向恢复电荷Qrr和反向恢复时间trr的值明显减少，同时浪涌现象大大降低，验证了本发明的有效性。
本发明中电流注入电路的nS级脉冲信号发生器和紧随其后的脉冲边沿加速电路如图7所示,当中主要分别利用了阶跃恢复二极管(SRD)和隧穿二极管(BG2)。本实施例该阶跃恢复二极管(SRD)可选用工业与信息化部第55研究所的WY411C、2CJ4211/2CJ4212以及美国MACOM公司的MA44768、美国Metelics公司的SMMD830，该SRD在正向偏置时导通，与普通二极管特性相似。但是在反向偏置时，SRD并不马上截止，而会产生很大的反向电流，直到某一时刻才会以很快的速度阶跃到截止状态。之后，又立即恢复到原来的状态。如图7，SRD在正弦信号的作用下，在负半周的某一时刻产生电流的跳变。在外电路中形成持续时间很短的窄脉冲。图中Vs为用于激励阶跃管的正弦波信号源，Rg是信号源内阻。Cb、Lb、Rb构成稳定自偏置电路，LM、CM构成低通匹配网络。设输出频率为fs，激励电感L和电容CT谐振在信号源频率fs上，RL为负载。
nS级脉冲信号发生器电路设计中首要是选择合适的SRD。在SRD的性能参数中少子寿命是关键，少子寿命过长则阶跃时间长，脉冲宽度就大，难以得到窄脉冲。反之，少子寿命过短，则阶跃时间短，使得脉冲幅过小。选定SRD后，可开始设计脉冲信号发生器。由脉冲宽度来确定L和CT，窄脉冲可减少反向恢复电荷。L=(tp/π)2/(1-ξ/Cj)，其中tp为脉冲宽度，Cj为SRD反向电容，ξ为电路的阻尼因子。CT=Cj/(2f1tp)2。由于分布参数的存在，实际研制时要筛选元件，严格控制SRD的导通和结束时间，注意信号源内阻、稳定自偏置电路、低通谐振匹配电路和激励谐振电路之间的阻抗匹配，避免互相干扰引起的信号失真、输出幅度严重衰减。
脉冲边沿加速电路的关键是选取合适的隧道二极管BG2，其峰值电压约为0.25V，为用好该遂道二极管， BG2要串接一个反向二极管BG1（见图7），BG1的峰点电流很小，其正向I—V特性与一般硅二极管的接近，但在反向偏置电压下，反向电流急剧上升，温度稳定性很好。BG1和BG2串联的端电压达到0.8V，让BG3导通。
从图7可见，BG2与BG1串联后的组合电学特性表现为：低电压时由BG1决定；高电压时，与硅二极管的正向I—V曲线相似，只是两段之间存在负阻区。如果设置较高电压稳定静态工作点，当图7的A为低平电平时，B为高电平，晶体管BG3则导通，BG3的C极电压Uc3=3V。BG4的射极输出端UO=0伏——低电平；当A点为负电平，负载线向左转移，进入较低电压稳定静态工作点，但该点电位低于BG3的载止电压，则BG3载止，BG4输出UO为高电平。实际使用时，电源E1的电压可为12~24V，电源E2的电压可为24~45V，电源E3的电压可为-6 ~ -12V。一旦A点回到0电平，负载线又回到右边的较高电压稳定静态工作点，BG4输出UO又立即返回0电平。由于隧道二极管BG2的响应速度非常快，因此输出脉冲的前后沿陡峭，达到了脉冲边沿加速之目的。
本发明的核心是用一个电流注入电路来减少功率二极管（DUT）中的反向恢复电荷。该项技术的关键是nS级脉冲发生器及脉冲边沿加速电路输出的陡峭脉冲后沿能与DUT所加载的反向脉冲的后沿严格对准，精确控制电流注入的临界时间，使其不会过早和延迟注入，从而能有效地减少功率二极管（DUT）内的反向恢复电荷，改善反向恢复特性。
Claims (4)
1.一种用于抵制二极管内反向恢复电荷的系统，其特征在于：该装置为正向偏置于被测功率二极管（DUT）两端的电流注入电路，注入电流为1mA—10A，所述电流注入电路包括nS级脉冲发生器和串联于其后的用于加速脉冲的上升沿时间和下降沿时间的脉冲边沿加速电路。
2.根据权利要求1所述的一种用于抵制二极管内反向恢复电荷的系统，其特征在于：所述的nS级脉冲发生器包括构成主回路的正弦波信号源（VS）、调节电阻（Rg）和低寄生电容的阶跃恢复二极管（SRD，阶跃恢复二极管（SRD）的两端为脉冲信号输出端，nS级触发脉冲发生器的还包括有连接于主回路上的稳定自偏置电路、低通谐振匹配电路和激励谐振电路。
3.根据权利要求2所述的一种用于抵制二极管内反向恢复电荷的系统，其特征在于：稳定自偏置电路由电容（Cb）、电感（Lb）和电阻（Rb）构成，Cb和Lb的截止频率fT=(0.5—2)fs，该fs为正弦波信号源（VS）频率，低通谐振匹配电路由电感（LM）和电容（CM）构成，激励谐振电路由激励电感（L）和电容（CT）构成，谐振在正弦波信号源（VS）频率fs之上。
4.根据权利要求1所述的一种用于抵制二极管内反向恢复电荷的系统，其特征在于：所述的脉冲边沿加速电路包括隧道二极管（BG2）以及与隧道二极管（BG2）串联的反向二极管（BG1），所述反向二极管（BG1）是一种齐纳隧穿二极管，隧道二极管（BG2）与反向二极管（BG1）构成串联稳压，用于控制以高频放大管（BG3）构成的共射放大电路的静态工作点，以放大脉冲电压幅度，所述脉冲边沿加速电路还包括以高频大功率管（BG4）构成的射极跟随器，以放大脉冲的电流幅度。
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