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如何借助雪崩二極管提供過(guò)壓保護(hù)?

發(fā)布時(shí)間:2018-08-01 來(lái)源:Jürgen Gerber,Jochen Krieger 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】當(dāng)IGBT在高性能應(yīng)用中高速接通和斷開時(shí),總會(huì)發(fā)生過(guò)壓。例如,當(dāng)關(guān)閉負(fù)載電流電路時(shí),集電極發(fā)射極電壓突然上升,達(dá)到非常高的峰值。由開關(guān)引起的過(guò)電壓會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞甚至破壞開關(guān)晶體管。
 
雪崩二極管如何幫助防止過(guò)電壓?
 
常見的過(guò)電壓保護(hù)方法是“有源鉗位(active clamping)”。在這種情況下,雪崩二極管用作直接反饋。如果關(guān)斷導(dǎo)致電感負(fù)載過(guò)壓峰值,則由雪崩二極管傳導(dǎo)至IGBT柵極,并且IGBT重新接通。
 
如何借助雪崩二極管提供過(guò)壓保護(hù)?
 
上圖顯示了基本原理:當(dāng)電壓上升時(shí),二極管被阻斷(A)。在耗盡區(qū)中,一個(gè)自由電子觸發(fā)雪崩的瞬間,電壓突然下降到低于30V的擊穿電壓電平,雪崩二極管立刻擊穿(B)。在重新啟動(dòng)之前,有時(shí)只能保持雪崩電流在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定,并且電壓再次上升(C)。擊穿延遲(D)即兩次擊穿事件之間的時(shí)間,是不能預(yù)測(cè)的。
 
建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極管用于有源鉗位過(guò)壓保護(hù),因?yàn)樗鼈兡軌颍?/div>
 
˙ 在快速上升的反向電壓下,更快擊穿
˙ 在低電流(低于~1mA)時(shí)具有更穩(wěn)定擊穿電壓,因此:
˙ 延長(zhǎng)其它器件的壽命,例如 IGBT或Mosfet,結(jié)果:
˙ 為變頻器或電機(jī)控制器等應(yīng)用節(jié)省成本,因?yàn)榻M件較少需要更換。
 
雪崩二極管的噪聲是如何產(chǎn)生的?
 
雪崩二極管的噪聲來(lái)自雪崩的不斷接通和斷開,即電壓峰值的不斷產(chǎn)生及其突然擊穿(見圖)。觸發(fā)雪崩擊穿有兩個(gè)先決條件:
 
1. 存在足夠的擊穿電壓以產(chǎn)生用于碰撞電離的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度。
 
2. 存在自由電子,因而形成漏電流。
 
例如,1.6pA = 1.6 x 10-12A漏電流等于通過(guò)阻擋層的電子流速為每秒107電子,這意味著在統(tǒng)計(jì)上每100ns只能觸發(fā)一次雪崩。然而,由于不是每個(gè)電子都會(huì)觸發(fā)雪崩,實(shí)際上觸發(fā)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。因此,觸發(fā)雪崩擊穿的概率與泄漏電流成比例。換句話說(shuō):漏電流越大,觸發(fā)雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時(shí)間越短(圖中:D)。
 
在兩個(gè)沖擊漏電流電子之間,二極管處的反向電壓可以顯著上升到高于擊穿電壓電平。只有當(dāng)下一個(gè)沖擊電子觸發(fā)雪崩時(shí),二極管的電壓才會(huì)突然下降到擊穿電壓水平。
 
如果電壓源提供足夠的電流,例如 1mA,雪崩擊穿可以通過(guò)連續(xù)的碰撞電離保持自身運(yùn)行,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的雪崩電流。
 
但是,如果源電流太低,例如100μA,低于擊穿電壓電平的雪崩電壓突然下降,使得二極管放電,將導(dǎo)致雪崩擊穿立即再次停止。這時(shí),需要一定的時(shí)間來(lái)使二極管和線電容充電,使低源電流達(dá)到所需的電壓電平,然后下一個(gè)電子才能觸發(fā)新的雪崩。這種雪崩的不斷接通和斷開導(dǎo)致雪崩二極管擊穿的典型噪聲。
 
二極管噪聲性能的差異在圖中也可見:圖中顯示了兩個(gè)Z二極管(齊納二極管)的擊穿電壓范圍,在100μA的反向電流(IR)下測(cè)得的擊穿電壓為30V。其中一個(gè)二極管基于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),使用極低的漏電流,另一個(gè)則采用“低噪聲技術(shù)”。具有“低噪聲技術(shù)”的齊納二極管具有更穩(wěn)健的電壓特性,優(yōu)于僅能在短時(shí)間內(nèi)保持恒定雪崩電流的另一個(gè)二極管(C)。
 
威世提供采用“低噪聲技術(shù)”的Z二極管,這些新一代產(chǎn)品包括SMF、BZD27、BZG 03、BZG04、 BZG05、PLZ 和 VTVS系列,由于適度增加漏電流(IR~10nA)而明顯增加了觸發(fā)雪崩擊穿的可能性,從而降低了噪聲,并為用戶提供了在低電流(低于~1mA)時(shí)更穩(wěn)定的擊穿電壓以及快速上升反向電壓的更快擊穿。
 
二極管噪聲的更進(jìn)一步影響因素
 
漏電流隨溫度增加而呈指數(shù)上升,即噪聲隨溫度升高而降低;光還可以釋放二極管耗盡區(qū)中的自由電子,從而降低噪聲水平。這意味著:四周環(huán)境越暗越冷,噪音水平越高。
 
作者:儒卓力分立半導(dǎo)體產(chǎn)品部經(jīng)理Jürgen Gerber,威世二極管部門TVS和ESD保護(hù)二極管和EMI濾波器應(yīng)用和產(chǎn)品工程高級(jí)經(jīng)理Jochen Krieger
 
 
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