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如何借助雪崩二极管提供过压保护?

Created by 儒卓力分立半导体产品部经理JürgenGerber 威世二极管部门TVS和ESD保护二极管和EMI滤波器应用和产品工程高级经理Jochen Krieger |   Asia Knowledge

当IGBT在高性能应用中高速接通和断开时,总会发生过压。例如,当关闭负载电流电路时,集电极 - 发射极电压突然上升,达到非常高的峰值。由开关引起的过电压会严重损坏甚至破坏开关晶体管。

雪崩二极管如何帮助防止过电压?

常见的过电压保护方法是“有源钳位(active clamping)”。在这种情况下,雪崩二极管用作直接反馈。如果关断导致电感负载过压峰值,则由雪崩二极管传导至IGBT栅极,并且IGBT重新接通。

配图显示了基本原理:当电压上升时,二极管被阻断(A)。在耗尽区中,一个自由电子触发雪崩的瞬间,电压突然下降到低于30V的击穿电压电平,雪崩二极管立刻击穿(B)。在重新启动之前,有时只能保持雪崩电流在短时间内稳定,并且电压再次上升(C)。击穿延迟(D)即两次击穿事件之间的时间,是不能预测的。

建议将具有改善噪声性能的雪崩二极管用于有源钳位过压保护,因为它们能够:

˙       在快速上升的反向电压下,更快击穿

˙       在低电流(低于~1mA)时具有更稳定击穿电压,因此:

˙       延长其组件的寿命,例如 IGBT或Mosfets,结果:

˙       为变频器或电机控制器等应用节省成本,因为组件较少需要更换。

雪崩二极管噪声是如何产生的?

雪崩二极管的噪声来自雪崩的不断接通和断开,即电压峰值的不断产生及其突然击穿(见图)。触发雪崩击穿有两个先决条件:

1. 存在足够的击穿电压以产生用于碰撞电离的临界电场强度。

2. 存在自由电子,因而形成漏电流

例如,1.6pA = 1.6 x 10-12A漏电流等于通过阻挡层的电子流速为每秒107电子,这意味着在统计上每100ns只能触发一次雪崩。然而,由于不是每个电子都会触发雪崩,实际上触发时间会更长。因此,触发雪崩击穿的概率与泄漏电流成比例。换句话说:漏电流越大,触发雪崩击穿的概率越高或击穿延迟时间越短(图中:D)

在两个冲击漏电流电子之间,二极管处的反向电压可以显着上升到高于击穿电压电平。只有当下一个冲击电子触发雪崩时,二极管的电压才会突然下降到击穿电压水平。

如果电压源提供足够的电流,例如 1mA,雪崩击穿可以通过连续的碰撞电离保持自身运行,从而产生稳定的雪崩电流。

但是,如果源电流太低,例如100μA,低于击穿电压电平的雪崩电压突然下降,使得二极管放电,将导致雪崩击穿立即再次停止。这时,需要一定的时间来使二极管和线电容充电,使低源电流达到所需的电压电平,然后下一个电子才能触发新的雪崩。这种雪崩的不断接通和断开导致雪崩二极管击穿的典型噪声

二极管噪声性能的差异在图中也可见:图中显示了两个Z二极管(齐纳二极管)的击穿电压范围,在100μA的反向电流(IR)下测得的击穿电压为30V。其中一个二极管基于标准技术,使用极低的漏电流,另一个则采用“低噪声技术”。具有“低噪声技术”的齐纳二极管具有更稳健的电压特性,优于仅能在短时间内保持恒定雪崩电流的另一个二极管(C)。

威世提供采用“低噪声技术”的Z二极管,这些新一代产品包括SMFBZD27BZG 03BZG04BZG05PLZVTVS系列,由于适度增加漏电流(IR~10nA)而明显增加了触发雪崩击穿的可能性,从而降低了噪声,并为用户提供了在低电流(低于~1mA)时更稳定的击穿电压以及快速上升反向电压的更快击穿。

二极管噪声的更进一步影响因素

漏电流随温度增加而呈指数上升,即噪声随温度升高而降低;光还可以释放二极管耗尽区中的自由电子,从而降低噪声水平。这意味着:四周环境越暗越冷,噪音水平越高。