【導讀】當IGBT在高性能應(yīng)用中高速接通和斷開時，總會發(fā)生過壓。例如，當關(guān)閉負載電流電路時，集電極發(fā)射極電壓突然上升，達到非常高的峰值。由開關(guān)引起的過電壓會嚴重損壞甚至破壞開關(guān)晶體管。
雪崩二極管如何幫助防止過電壓？
常見的過電壓保護方法是“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)斷導致電感負載過壓峰值，則由雪崩二極管傳導至IGBT柵極，并且IGBT重新接通。
上圖顯示了基本原理：當電壓上升時，二極管被阻斷(A)。在耗盡區(qū)中，一個自由電子觸發(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)。在重新啟動之前，有時只能保持雪崩電流在短時間內(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間，是不能預(yù)測的。
建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極管用于有源鉗位過壓保護，因為它們能夠：
˙ 在快速上升的反向電壓下，更快擊穿
˙ 在低電流(低于~1mA)時具有更穩(wěn)定擊穿電壓，因此：
˙ 延長其它器件的壽命，例如 IGBT或Mosfet，結(jié)果：
˙ 為變頻器或電機控制器等應(yīng)用節(jié)省成本，因為組件較少需要更換。
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強度。
2. 存在自由電子，因而形成漏電流。
例如，1.6pA = 1.6 x 10-12A漏電流等于通過阻擋層的電子流速為每秒107電子，這意味著在統(tǒng)計上每100ns只能觸發(fā)一次雪崩。然而，由于不是每個電子都會觸發(fā)雪崩，實際上觸發(fā)時間會更長。因此，觸發(fā)雪崩擊穿的概率與泄漏電流成比例。換句話說：漏電流越大，觸發(fā)雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時間越短(圖中：D)。
在兩個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。只有當下一個沖擊電子觸發(fā)雪崩時，二極管的電壓才會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，雪崩擊穿可以通過連續(xù)的碰撞電離保持自身運行，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，將導致雪崩擊穿立即再次停止。這時，需要一定的時間來使二極管和線電容充電，使低源電流達到所需的電壓電平，然后下一個電子才能觸發(fā)新的雪崩。這種雪崩的不斷接通和斷開導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)下測得的擊穿電壓為30V。其中一個二極管基于標準技術(shù)，使用極低的漏電流，另一個則采用“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)于僅能在短時間內(nèi)保持恒定雪崩電流的另一個二極管(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：儒卓力分立半導體產(chǎn)品部經(jīng)理Jürgen Gerber，威世二極管部門TVS和ESD保護二極管和EMI濾波器應(yīng)用和產(chǎn)品工程高級經(jīng)理Jochen Krieger
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