Коли діод закривається, збережений в ньому заряд повинен розрядитися, це призводить до зростання струму діода в зворотному напрямку. Крива цього струму характеризує режим зворотного відновлення діода.
На ріс.1.19 показано найпростіша ланцюг для вимірювання режиму.
Мал. 1.19
S - ідеальний ключ, IL - джерело струму, VK - джерело напруги, LK - індуктивність
Після закривання ключа S, через діод буде протікати струм і напруга, як це показано на ріс.1.20. Цей графік є прикладом м'якого відновлення діода. На ріс.1.21 показані приклади характеристик діодного струму з різкою зміною параметрів. Крива пояснюється малюнком 1.20.
Ріс.1.20 Характеристики струму і напруги процесу «м'якого» відновлення діода в ланцюзі на ріс.1.19 і визначення характеристик режиму відновлення
Швидкість комутації dI / dt визначається напругою і індуктивністю:
У момент t0 струм проходить через нуль. У момент tw діод починає закриватися. При цьому pn-перехід діода звільняється від носіїв заряду. При tirm ток падає до рівня струму витоку, характеристика струму залежить тільки від діода.
Час зворотного відновлення trr визначається інтервалом між t0 і моментом, коли струм досягає значення 20% від IRRM. Інтервали tf і ts (ріс.1.20) визначаються кількісними значеннями для режиму відновлення:
коефіцієнт «м'якості» s = tf / ts (1.2)
Цього визначення недостатньо, тому що характеристика на ріс.1.21а може бути різкою. Характеристику на ріс.1.21b можна класифікувати як м'яку, tf> ts. але це жорсткий зріз.
Мал. 1.21. Характеристики струму для двох режимів швидкого відновлення діода
Більш точно можна знайти коефіцієнт «м'якості»
Вимірювання потрібно проводити при струмі менш ніж 10% і при 200% встановленого струму. Це означає, що малі струми дуже впливають на режим зворотного відновлення. Перенапруги можна знайти за законом:
Тому перенапруги при деяких умовах вимірювання або імпульс напруги VM = VK + Vind можуть також розглядатися як характеристики режиму зворотного відновлення. Але цього визначення також недостатньо, так як не враховуються такі параметри:
- Температура. Високі температури негативно впливають на режим відновлення. Але для деяких швидких діодів цей режим гірше при температурі навколишнього середовища або при низьких температурах.
- Прикладена напруга. Висока напруга уповільнює зворотне відновлення.
- Швидкість наростання струму dI / dt. Залежність dI / dt багато в чому залежить від виробника діодів. Деякі діоди реагують більш м'яко на збільшення dI / dt, інші - більш жорстко.
Всі ці фактори годі й підсумувати при одному простому розрахунку. Тому схема на ріс.1.19 і співвідношення (1.2) або (1.3) застосовні тільки для пояснення впливу будь-якого параметра на режим перемикання. Загальна оцінка режиму зворотного відновлення може бути проведена тільки для певного режиму роботи діода в схемі. Така вимірювальна ланцюг наведена на ріс.1.22.
Швидкість комутації dI / dt регулюється резистором затвора RGon. Паразитна індуктивність L q 1 виникає при підключенні конденсаторів, IGBT і діода. На ріс.1.23 показані керуючі сигнали IGBT і струм через IGBT і діод. При виключенні IGBT струм навантаження протікає через зворотний діод. Як тільки IGBT включається в наступний раз, діод перемикається з характерним режимом відновлення в той же момент. При включенні через IGBT також проходить зворотний струм зворотного діода. Цей процес показаний для м'яко-відновлюється діода на ріс.1.24 з сильним розтягуванням по тимчасовій осі. На ріс.1.24а показана крива струму і напруги IGBT а також втрати потужності при включенні. На ріс.1.24b - крива струму і напруги зворотного діода і його втрати потужності.
Поки через IGBT проходить імпульсний зворотний струм IRPM, напруга на IGBT все ще дорівнює напрузі Vk (1200 В на ріс.1.24а). При цьому втрати потужності включеного стану максимальні для IGBT.
Характеристику зворотного відновлення діода можна розділити на дві частини:
- Зростання зворотного імпульсу струму і відповідно зворотного падіння струму зі швидкістю dIr / dt. dIr / dt знаходиться в межах dI / dt наскільки це дозволяє діод. Імпульсний зворотний струм IRPM впливає на ключ.
- «Хвіст», при цьому зворотний струм повільно знижується до нуля. Тут не можна визначити trr. Основні втрати потужності діода виникають в «хвості», коли напруга вже докладено до діода. Швидкий діод без хвостового струму забезпечить менші втрати комутації, але може бути непридатним в роботі. У IGBT втрати при комутації в цій фазі не такі високі, так як в цей момент прикладена напруга вже зменшилася.
У порівнянні з втратами в IGBT, при роботі втрати в діоді менше (втрати при комутації в діоді на ріс.1.24а наводяться в тому ж масштабі, що втрати в IGBT на ріс.1.24b). Для максимального зменшення втрат в IGBT і в діоді необхідно врахувати малий імпульс зворотного струму і більшу частину збереженого заряду, який був розряджений в хвостовій фазі. Межа цього - максимальна розсіює потужність діода.
Мал. 1.24. Струм, напруга і втрати потужності при включенні IGBT (а) і виключенні діода (b), які були виміряні в схемі на ріс.1.22
Імпульсний зворотний струм відновлення IRPM - найбільш важливий параметр діода, що впливає на загальні втрати, тому його необхідно мінімізувати.
При стандартному застосуванні, коли ключем служить напівпровідниковий модуль, паразитная індуктивність L q ges знаходиться в межах 40 нГн, зменшуючи виникає перенапруження. Так як не існує ідеального ключа, напруга на IGBT буде падати до певного рівня під час фази відновлення. Ця напруга має вигляд:
де VCE (t) - напруга, прикладена до IGBT в відповідний момент. Зазвичай для діодів з м'яким відновленням при помірних швидкостях зростання до 1500 А / мкс і з мінімальними паразитними індуктивностями, V (t) менше ніж Vk в будь-який момент часу, і при цьому не буде викидів напруги.
На ріс.1.25 наведено приклад режиму відновлення за цим способом. При цих умовах перенапруги в CAL-діодах порівнюються з діодами, час життя носіїв заряду в яких встановлюється платинової дифузією, CAL-діоди працюють з м'якими умовами відновлення за рахунок зменшеної ефективності р- емітера. Діоди з платиною стають такими ж «м'якими», як і CAL-діоди при номінальному струмі (75 А).
Але менші струми викличуть максимальні перенапруги, понад 100 В при 10% номінального струму через швидкі параметрів перемикання. Але в CAL-діодах значно не перенапруг при будь-яких умовах.
Мал. 1.25. Викид напруги при комутації в залежності від прямого струму діода
Всі подальші пояснення в цьому керівництві засновані на наступному визначенні: Діод працює в режимі м'якого відновлення, якщо при будь-яких параметрах в схемі не виникає перенапруг, викликаних спадом зворотного струму діода. Будь-які параметри - це номінальний діапазон струмів, всі частоти комутації схеми при температурі від -50 ° С до + 150 ° С. Це визначення вірно, якщо dI / dt не надто високо (> 6 кА / мкс) або в схемі досить велика індуктивність (> 50 нГн), що також може викликати викиди напруги.
Не менш важливою вимогою до зворотних діодів на напругу від 100 В (незважаючи на м'який режим комутації) є динамічна стійкість. На ріс.1.24b показано, що поки через діод протікає хвіст струму, до нього докладено багато вхідний постійна напруга. Якщо IGBT перемикається дуже різко (малий опір затвора RG), будуть рости зворотний і хвостовій струми, разом з якими зменшується напруга VCE на IGBT, яке комутує діод з більшою швидкістю dV / dt. Щільність проводять струм носіїв заряду (дірок) тому буде вище вихідної щільності, внаслідок чого відбудеться пробій в напівпровіднику при напрузі, набагато нижче зворотного рівня (динамічний пробою). Для управління цими процесами існує характеристика динамічної стійкості зворотних діодів. Динамічна стійкість визначається наступним чином:
Динамічна стійкість - здатність діода витримувати високі швидкості комутації di / dt і високі напруги в одне і теж час.
Якщо діод має незначну динамічну стійкість, обмежує di / dt IGBT або працює тільки з максимальним зворотним викидом струму, допускається збільшення втрат на перемикання.