IGBT模块的反向恢复现象

IGBT模块反向恢复现象

IGBT模块的反向恢复现象是指在IGBT关断时，其内部集成的续流二极管(FWD)从正向导通状态转变为反向截止状态过程中出现的一些特定物理现象和电气特性变化。

一、现象表现

1.反向电流峰值

当IGBT关断瞬间，续流二极管承受反向电压，原本正向导通时存储在二极管中的大量少子电荷不能立即消失，这些电荷在反向电场作用下形成反向电流，使反向电流迅速上升到一个峰值。

2.反向恢复时间

从IGBT开始关断到反向电流下降到规定的微小值(如峰值的10%)所经历的时间，称为反向恢复时间，它包括电流上升阶段的时间和电流下降阶段的时间。

3.电压过冲

在反向恢复过程中，由于反向电流的快速变化，会在电路中产生电感效应，导致续流二极管两端出现电压过冲现象，即反向电压会超过电源电压，可能对IGBT模块及其他电路元件造成损害。

4.这里给出两个测试条件下的反向恢复能耗特征值：

(1)Tj=25度;(2)Tj=125度。电流均为IF,NOM(模块的标称电流)。

二、产生原因

1.少子存储效应

在续流二极管正向导通时，P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这些注入的少子在各自的区域内存储起来。当二极管承受反向电压时，这些存储的少子需要通过复合或漂移的方式消失，从而形成反向恢复电流。

2.PN结电容效应

续流二极管的PN结存在结电容，在反向恢复过程中，结电容需要进行充电和放电，这也会影响反向电流的变化和反向恢复时间。

三、反向恢复现象影响

1.增加开关损耗

反向恢复过程中，电流和电压的变化会导致额外的能量损耗，使IGBT模块的开关损耗增加，降低了电路的效率，同时也会使模块发热加剧。

2.限制开关频率

反向恢复时间的存在限制了IGBT模块的开关频率。如果开关频率过高，在反向恢复还未完成时就进行下一次开通，会导致反向恢复电流与正向电流叠加，进一步增加损耗，甚至可能损坏IGBT模块。

3.产生电磁干扰

反向恢复过程中产生的电压过冲和电流突变会产生高频电磁噪声，对周围的电子设备产生电磁干扰，影响其他电路的正常工作。

四、改善措施

1.优化二极管结构

采用先进的半导体工艺，如采用缓冲层结构、优化P区和N区的掺杂浓度等，减少少子存储，从而缩短反向恢复时间，降低反向恢复电流。

2.选择合适的材料

选用新型的半导体材料，如碳化硅(SiC)等，SiC二极管具有比传统硅二极管更短的反向恢复时间和更低的反向恢复电流，可有效改善反向恢复现象。

3.电路设计优化

在电路中加入合适的吸收电路，如RC吸收电路、RCD吸收电路等，通过吸收反向恢复过程中产生的能量，抑制电压过冲和电流突变，减小反向恢复对电路的影响。