二极管开关损耗测试

图2.3.15给出了一个最简单的解释开关特性的实例，它是降压变换器。

图 2.3.15 确定反向恢复的电路图

IGBT器件T1通过双脉冲信号两次开通和关断。换流的变化率di/dt是通过电阻RGon来调节的，VCC是直流母线电压。在电容器、IGBT和二极管之间存在寄生的感应电感Ls1…3。在图2.3.16中给出了在IGBT(Driver)上的双脉冲控制信号，在IGBT上的电流波形和在二极管上的电流波形。当关断IGBT时，在电感LL上的负载电流将切换至二极管。在IGBT下一次开通时，二极管会关断并在这时表现出恢复特性。IGBT在开通后也额外接纳二极管的反向电流。图2.3.17给出了软性恢复二极管的工作过程。

图 2.3.16 驱动的控制信号，在IGBT和二极管上的电流信号
当IGBT接纳反向电流的峰值时，它的电压还处在直流母线的电压范围内(图2.3.17a)。在这时IGBT会产生最大的开通损耗。二极管的反向电流可以被分解成两部分来解释：从开始到反向电流的峰值和从峰值开始以dir/dt速度的回落。

第二部分是拖尾部分，这时反向电流缓慢下降。此时trr不再具有明显意义。因为此时在二极管上还有电压，所以拖尾电流部分产生二极管的主要功耗。一个刚性恢复的二极管没有拖尾，虽然会引起较小的功耗，但它引起的过高的过电压。对于IGBT来说，因为电压在拖尾阶段已经被降到很低，所以对IGBT的功耗影响不大。
图2.3.17 b) 中描述了二极管的功耗，其方式同IGBT在图2.3.17 a) 描述一样。在实际应用中它要比IGBT产生的功耗要小。从IGBT和二极管整体功耗考虑，保证一个小的反向电流峰值和大部分存储电荷保留到拖尾阶段再释放，是十分重要的。对IGBT更快的开关速度和更小的功耗要求导致了对二极管更大的负担。在实际应用中，当只考虑整体的功耗时，选择较慢的开关速度是很有意义的，当然，它必须符合在给定的条件下性能参数的要求。

图2.3.17 b) 中描述了二极管的功耗，其方式同IGBT在图2.3.17 a) 描述一样。在实际应用中它要比IGBT产生的功耗要小。从IGBT和二极管整体功耗考虑，保证一个小的反向电流峰值和大部分存储电荷保留到拖尾阶段再释放，是十分重要的。对IGBT更快的开关速度和更小的功耗要求导致了对二极管更大的负担。在实际应用中，当只考虑整体的功耗时，选择较慢的开关速度是很有意义的，当然，它必须符合在给定的条件下性能参数的要求。
实际上开关的功耗取决于4个参数:
--换流变化率di/dt或者IGBT的栅极电阻(图2.3.18)：随着电阻的增加功耗趋向减少，在很小的栅极电阻时，感应电感限制了换流变化率di/dt。在一般情况下栅极的电阻在0,5 到8,2欧姆之间。
--截止电压(母线电压VCC; 图 2.3.18 b)，它是在关断后加在元器件上：它可用下面近似公式描述:

--正向电流IF (图 2.3.19 a): 正向电流越大功耗就越大。但这种关系不是线性的，可用下面近似公式计算:

截止层面温度Tj (图 2.3.19 a):功耗在低温时是线性增长，但在温度超过125°C后，变得高于正常比例。使用从0.0055到0.0065的温度系数可以计算功耗同温度的关系

图 2.3.18 100A/1200V CAL二极管的功耗关系;
a) 同电流变化率 (100 A, 600 V, 150 °C);
b) 同母线电压 (100 A, RG=1欧姆 → 2700 A/μs, 150 °C)
动态坚固性

对耐压高于1000V的续流二极管在软性恢复特性以外，它的动态坚固性也是一个同样重要的指标。二极管在接到直流母线的电压的同时，还有一个明显的拖尾电流，见图2.3.17b。当IGBT很快的开通时(较小的栅极电阻RG)，反向电流的峰值和拖尾电流都会上升，同时在IGBT上的电压VCE快速下降，使在二极管上的电压变化率dv/dt增高。电场范围扩大到更大的范围(t2 – t4 在图 2.3.11 和图2.3.12)，因为强大的电场出现，使在半导体的电压远远低于允许的耐压时，就会发生雪崩(动态雪崩)现象。动态的坚固性是指，在高的换流变化率和高的母线电压时，二极管能稳定的工作。作为另一种指标，IGBT的换流率或者二极管的最大反向电流峰值，对表明动态坚固性有同样的意义。当然，有时为取得更高的动态坚固性，会以犧牲功耗作为代价的。当空间电荷区扩宽，在n-区自由流动的空穴流成为电流IR。在动态雪崩发生时，在pn结就会产生更多的电子和空穴。空穴运动到高掺杂的p区，而电子移动到n-区，这时实际的掺杂浓度为:

其中nav是动态雪崩产生的电子，它从pn结穿过空间电荷区。当电子同空穴结合以致减少了雪崩效果。在小的正向电流时反向电流也会减少，同样空穴的密度p也会减少。因为在小电流时元器件的dv/dt较高，所以动态雪崩在小电流时的危害较高。