一種用于抵制二極管內反向恢復電荷的系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種抑制二極管內反向恢復電荷的系統，該系統為正向偏置連接于二極管（DUT）兩端的電流注入電路，該電流注入電路包括用階躍恢復二極管（SRD）構成的脈沖nS級脈沖信號發生器，及緊接其后以隧穿二極管（BG2）及反向二極管（BG1）構成的用于加速脈沖的上升沿時間和下降沿時間的脈沖邊沿加速電路。本發明的優點是：能改善二極管（DUT）的反向恢復特性，降低反向恢復電荷和反向恢復時間，同時能降低二極管的開關損耗和傳導損耗，抑制電磁干擾和浪涌發生，提高效率。
【專利說明】—種用于抵制二極管內反向恢復電荷的系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體和電子【技術領域】，具體是指一種用于抵制二極管的反向恢復電荷的電路系統。
【背景技術】
[0002]功率二極管、階躍二極管、IGBT、晶閘管以及快恢復二極管等功率半導體器件廣泛應用于電力電子領域，這些器件在正反向電壓的轉換過程中存在反向恢復特性[孫濤，徐大林，雙管正激中二極管反向恢復的研究和抑制[J]，電源技術，2010年第I期:57-59.]，即其器件內存儲的電荷要經歷一段時間才完全消失，這將在電路系統中引起電磁干擾。
[0003]而這些功率半導體二極管，要求反向恢復電荷少、反向恢復時間短、以減少電磁干擾，抑制浪涌發生。同時，當功率二極管由正向導通變為反向偏置的狀態時，儲存在管內漂移區的電荷會阻止器件立即恢復到反向截止狀態，產生了反向恢復特性和反向恢復電荷，減少反向恢復電荷也就間接地減少了對最高工作頻率的限制。
[0004]目前，為了改進二極管的反向恢復特性，器件制造商們在工藝階段用載流子壽命控制技術來引進復合中心，但這導致了二極管的通態損耗和擊穿耐壓、開關速度之間的失衡。也可選擇碳化硅材料來制造器件，但價格昂貴。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了克服現有技術存在的缺點和不足，而提供一種有效抵消反向恢復電荷，改善反向恢復特性，縮短反向恢復時間的電子系統。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案是該該裝置為正向偏置于被測功率二極管(DUT)兩端的電流注入電路，注入電流為mA — A范圍，所述電流注入電路包括nS級脈沖發生器和串聯于其后的用于加速脈沖的上升沿時間和下降沿時間的脈沖邊沿加速電路。
[0007]進一步設置是所述的nS級脈沖發生器包括構成主回路的正弦波信號源(VS，其頻率仁=100±1011取，功率20±2dBm)、調節電阻(Rg)和階躍恢復二極管(SRD，可選用工業與信息化部第55研究所的WY411C、2CJ4211/2CJ4212以及美國MACOM公司的MA44768、美國Metelics公司的SMMD830),階躍恢復二極管(SRD)的兩端為脈沖信號輸出端，nS級觸發脈沖發生器的還包括有連接于主回路上的穩定自偏置電路、低通諧振匹配電路和激勵諧振電路。其中穩定自偏置電路由電容(Cb)、電感(Lb)和電阻(Rb)構成，Cb和Lb的截止頻率為fT= (0.5— 2) fs。低通諧振匹配電路由電感(LM)和電容(CM)構成，兩者取值受正弦波信號源(VS)內阻及頻率、激勵電感(L)限制。激勵諧振電路由激勵電感(L)和電容(CT)構成，諧振在信號源VS頻率fs之上，其中L與脈沖寬度及SRD的反向電容Cj有關。
[0008]本設置的技術方案的nS級脈沖發生器的不同于文獻的思想[陳炯，尹毅，肖登明，脈寬和幅值可調的新型超窄脈沖發生器的研制[J]，高電壓技術，2005年第31卷第5期:39-40，49;張祥龍王毅田付強施洪生，雙極性與單極性ns級高壓脈沖電源設計及特性比較[J]，高電壓技術，2012年第38卷第4期:963-970 ;賀元吉，張亞洲，李傳臚，一種高壓ns級脈沖形成電路[J]，高電壓技術，2000年第26卷第4期:13-15.]。
[0009]進一步設置的進一步設置的所述的脈沖邊沿加速電路包括隧道二極管(BG2)以及與隧道二極管(BG2)串聯的反向二極管(BGl)(如1N5341型)，所述反向二極管(BGl)是一種齊納隧穿二極管，隧道二極管(BG2)與反向二極管(BGl)構成串聯穩壓，用于控制以高頻放大管(BG3)(如C3355型)構成的共射放大電路的靜態工作點，以放大脈沖電壓幅度，所述脈沖邊沿加速電路還包括以高頻大功率管(BG4)(如BLF861型)構成的射極跟隨器，以放大脈沖的電流幅度。輸出脈沖Uo的高電平可達到約18伏。由于隧道二極管的響應速度特別快，輸出Uo電平可迅速響應輸入脈沖高低電平的變化，所以輸出脈沖的前后沿很陡，所述脈沖邊沿加速電路起到了脈沖邊沿加速的作用。
[0010]本發明思路的脈沖邊沿加速電路明顯區別于發射極耦合邏輯(ECL)電路的辦法，也不同于文獻的思想[張嘉岷，王厚軍，付在明，電子測量技術，2007年第30卷第7期:175-177，徐地華，曹勇，梅領亮，秦開宇，陳伯平，超快邊沿階躍脈沖發生器，中國實用新型專利，專利號200920264756.1 ;斯蒂芬.J，鮑姆加特納，布拉德.安東尼，納茲克，脈沖整形電路，中國發明專利，專利號200610138094.4.]。
[0011]nS級脈沖發生器和緊接其后的脈沖邊沿加速電路的功能就是，輸出的陡峭脈沖后沿能嚴格與DUT所加載的反向脈沖的后沿嚴格對準，精確地控制電流注入的臨界時間，使其不會過早和延遲注入，從而能有效地減少功率二極管(DUT)內的反向恢復電荷。
[0012]本發明的優點是:此技術方案能改善二極管的反向恢復特性，減少反向恢復電荷，縮短反向恢復時間，同時降低器件的開關損耗和傳導損耗，提高電路系統的效率，抑制電磁干擾和浪涌發生。
[0013]上述效果，請參閱下文實施例和對比例。
[0014]下面結合說明書附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步介紹。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1功率二極管的關斷時的電流、電壓瞬時特性曲線；
圖2功率二極管反向恢復特性測試電路；
圖3圖2的被測二極管(DUT)的反向恢復電流波形；
圖4圖2的被測二極管(DUT)正反時序脈沖圖；
圖5本實施例應用于反向恢復特性測試電路的電路圖；
圖6本實施例所測得的加入電流注入電路后的被測二極管(DUT)反向恢復特性曲線； 圖7本實施例所用的nS級脈沖發生器及隨后連接的脈沖邊沿加速電路的總體圖。
[0016]
【具體實施方式】
[0017]下面通過實施例對本發明進行具體的描述，只用于對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限定，該領域的技術工程師可根據上述發明的內容對本發明作出一些非本質的改進和調整。
[0018]為了進行比較以說明本申請的技術效果，下面補充說明以功率二極管作為被測二極管(DUT)，且以沒有采用本申請的電流注入電路來做對比例，并補充了相關的測試結果說明。
[0019]對比例和測試結果說明
圖1是功率二極管在反向恢復時的電流α)和電壓(V)隨時間變化的示意圖。由半導體器件物理可知，在正向電流開始下降至該電流逐漸減少至零，di/dt的值由外電路電感和外加反向電壓所決定。在ta時段內，電流降到零以后就變為負值，在功率二極管內的漂移區中儲存了電子電荷。在tb時段內，存儲的少子在復合作用下，逐漸減小到零。同時空間電荷區開始不斷向外擴展，載流子被反向抽取，電流降到負值最大以后又逐步變為O。從圖1可見，功率二極管的反向恢復電荷(Reverse Recovered Charge, Qrr)由反向恢復電流、反向恢復時間決定，它受到元件參數和外部工作條件的影響。元件參數包括器件的形狀、摻雜分布、漂移區的長度和電阻率、少數載流子壽命等在內因素，只能在器件制造過程中調整。外部因素有漏電感、外加電壓、電流變化率di/dt、正向電流和結溫等。在電子系統電路的設計中，這些外部因素可以被改進。
[0020]如圖2所示，被測二極管(DUT, diode under test)在反向偏壓之后，還有一個短時的下降至O的正向電流。一個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)控制了電路的正向傳導，使DUT進入一個脈沖電流的低阻抗狀態。在脈沖結束時，反向電路受到一個半導體閘流管(Semiconductor Thyristor)的控制,觸發一個負電壓脈沖,通過改變反向電壓從而改變了電流變化率di/dt，使二極管進入反向恢復過程。在此過程中，通過調整電流變化率di/dt，DUT可以呈現軟恢復(無浪涌電流)和硬恢復(有浪涌電流)的特性，即，這個電路能夠反映電路參量的作用與DUT反向恢復過程的關系。
[0021]圖2中兩個高耐壓低電感的電容(C1，C2)是帶電的，可以提供高達I kV的可變高壓。可用數字萬用表可測得電容兩端的電壓，可用電流變送器輸出DUT的電流，用示波器可以測得DUT的反向恢復特性，如圖3所示。
[0022]的正反向時序脈沖
圖4顯示了圖2中IGBT和半導體閘流管所需的觸發時序，這個觸發時序通過一個電子電路來控制。圖中標注為通道I(CH I)的寬脈沖能觸發IGBT進入導通狀態，它給DUT提供足夠長時間的脈沖電流導致DUT發生電導調制并給DUT加熱。通道II (CH II)是在IGBT的寬脈沖即將結束時半導體閘流管受到的一個窄脈沖，它使DUT加上負電壓，從而使DUT進入反向恢復階段。對通道I (CH I)的寬脈沖要求一般，但對通道II (CH II)的窄脈沖要求較高，邊緣上升、下降速度達到幾十A/μ S以上，且不同DUT的要求不一樣，可參見文獻[寧小玲，關于如何正確測量二極管反向恢復時間的探討[J]，電子產品可靠性與環境試驗，Vol.33，N0.1 (1994): 48-53.]。
[0023]
實施例
[0024]該實施例電路如圖5所示。對比圖2的電路可見，在圖5中增加了 一個電流注入電路(虛線框內的部分)如圖7所示,這是實現DUT反向恢復電荷Qrr減少所必需的。當DUT突然被反向偏置，在DUT漂移區的Qrr能阻止二極管立即反向截止，而要經歷一個如圖1的反向恢復過程。此時，電流注入電路用一個與DUT的最大負值電流成正比的外部電路——nS級脈沖信號發生器和緊連其后的脈沖邊沿加速電路注入一個附加電流，這個附加電流有利于DUT減少直至消除Qrr，阻止器件通過過大的反向電流，使DUT的Qrr及反向恢復時間trr迅速下降。
[0025]圖6是增加了電流注入電路后測得DUT的反向恢復電流波形。對比圖6與圖3發現，圖6中的反向恢復電荷Qrr和反向恢復時間的值明顯減少，同時浪涌現象大大降低，驗證了本發明的有效性。
[0026]本發明中電流注入電路的nS級脈沖信號發生器和緊隨其后的脈沖邊沿加速電路如圖7所示，當中主要分別利用了階躍恢復二極管(SRD)和隧穿二極管(BG2)。本實施例該階躍恢復二極管(SRD)可選用工業與信息化部第55研究所的WY411C、2CJ4211/2CJ4212以及美國M ACOM公司的MA44768、美國Metelics公司的SMMD830，該SRD在正向偏置時導通，與普通二極管特性相似。但是在反向偏置時，SRD并不馬上截止，而會產生很大的反向電流，直到某一時刻才會以很快的速度階躍到截止狀態。之后，又立即恢復到原來的狀態。如圖7，SRD在正弦信號的作用下，在負半周的某一時刻產生電流的跳變。在外電路中形成持續時間很短的窄脈沖。圖中Vs為用于激勵階躍管的正弦波信號源，Rg是信號源內阻。Cb、Lb、Rb構成穩定自偏置電路，Lm、Cm構成低通匹配網絡。設輸出頻率為fs，激勵電感L和電容Ct諧振在信號源頻率fs上，Rl為負載。
[0027]nS級脈沖信號發生器電路設計中首要是選擇合適的SRD。在SRD的性能參數中少子壽命是關鍵，少子壽命過長則階躍時間長，脈沖寬度就大，難以得到窄脈沖。反之，少子壽命過短，則階躍時間短，使得脈沖幅過小。選定 SRD后，可開始設計脈沖信號發生器。由脈沖寬度來確定L和Ct，窄脈沖可減少反向恢復電荷。?=αρ/π)2/(1-ξ/?_)，其中tp為脈沖寬度，(^為SRD反向電容，ξ為電路的阻尼因子。CfC/dg2。由于分布參數的存在，實際研制時要篩選元件，嚴格控制SRD的導通和結束時間，注意信號源內阻、穩定自偏置電路、低通諧振匹配電路和激勵諧振電路之間的阻抗匹配，避免互相干擾引起的信號失真、輸出幅度嚴重衰減。
[0028]脈沖邊沿加速電路的關鍵是選取合適的隧道二極管BG2，其峰值電壓約為0.25V,為用好該遂道二極管，BG2要串接一個反向二極管BGl (見圖7)，BGl的峰點電流很小，其正向I一V特性與一般硅二極管的接近，但在反向偏置電壓下，反向電流急劇上升，溫度穩定性很好。BGl和BG2串聯的端電壓達到0.8V，讓BG3導通。
[0029]從圖7可見，BG2與BGl串聯后的組合電學特性表現為:低電壓時由BGl決定；高電壓時，與硅二極管的正向I一V曲線相似，只是兩段之間存在負阻區。如果設置較高電壓穩定靜態工作點，當圖7的A為低平電平時，B為高電平，晶體管BG3則導通，BG3的C極電壓Ue3=3V。BG4的射極輸出端U0=O伏——低電平；當A點為負電平，負載線向左轉移，進入較低電壓穩定靜態工作點，但該點電位低于BG3的載止電壓，則BG3載止，BG4輸出Utj為高電平。實際使用時，電源El的電壓可為12~24V，電源E2的電壓可為24~45V，電源E3的電壓可為-6~-12V。一旦A點回到O電平，負載線又回到右邊的較高電壓穩定靜態工作點，BG4輸出U0又立即返回O電平。由于隧道二極管BG2的響應速度非常快，因此輸出脈沖的前后沿陡峭，達到了脈沖邊沿加速之目的。
[0030]本發明的核心是用一個電流注入電路來減少功率二極管(DUT)中的反向恢復電荷。該項技術的關鍵是nS級脈沖發生器及脈沖邊沿加速電路輸出的陡峭脈沖后沿能與DUT所加載的反向脈沖的后沿嚴格對準，精確控制電流注入的臨界時間，使其不會過早和延遲注入，從而能有效地減少功率二極管(DUT )內的反向恢復電荷,改善反向恢復特性。
【權利要求】
1.一種用于抵制二極管內反向恢復電荷的系統，其特征在于:該裝置為正向偏置于被測功率二極管(DUT)兩端的電流注入電路，注入電流為ImA — 10A，所述電流注入電路包括nS級脈沖發生器和串聯于其后的用于加速脈沖的上升沿時間和下降沿時間的脈沖邊沿加速電路。
2.根據權利要求1所述的一種用于抵制二極管內反向恢復電荷的系統，其特征在于:所述的nS級脈沖發生器包括構成主回路的正弦波信號源(VS)、調節電阻(Rg)和低寄生電容的階躍恢復二極管(SRD，階躍恢復二極管(SRD)的兩端為脈沖信號輸出端，nS級觸發脈沖發生器的還包括有連接于主回路上的穩定自偏置電路、低通諧振匹配電路和激勵諧振電路。
3.根據權利要求2所述的一種用于抵制二極管內反向恢復電荷的系統，其特征在于:穩定自偏置電路由電容(Cb)、電感(Lb)和電阻(Rb)構成，Cb和Lb的截止頻率fτ= (0.5—2)fs，該fs為正弦波信號源(VS)頻率，低通諧振匹配電路由電感(Lm)和電容(Cm)構成，激勵諧振電路由激勵電感(L)和電容(CT)構成，諧振在正弦波信號源(VS)頻率fs之上。
4.根據權利要求1所述的一種用于抵制二極管內反向恢復電荷的系統，其特征在于:所述的脈沖邊沿加速電路包括隧道二極管(BG2)以及與隧道二極管(BG2)串聯的反向二極管(BG1)，所述反向二極管(BGl)是一種齊納隧穿二極管，隧道二極管(BG2)與反向二極管(BGl)構成串聯穩壓，用于控制以高頻放大管(BG3)構成的共射放大電路的靜態工作點，以放大脈沖電壓幅度，所述脈沖邊沿加速電路還包括以高頻大功率管(BG4)構成的射極跟隨器，以放大脈沖的電流幅度。
【文檔編號】H03K5/12GK103929156SQ201410128200
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】韋文生, 沈琦, 夏鵬 申請人:溫州大學