進入二十一世紀(jì)以來，以大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的新能源是我國未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點發(fā)展方向，而傳統(tǒng)的交流輸電和直流輸電技術(shù)已經(jīng)難以滿足以大規(guī)模風(fēng)電和太陽能發(fā)電安全可靠接入電網(wǎng)的迫切需求。而基于高壓大功率電力電子技術(shù)的靈活交流輸電和高壓直流輸電是未來智能電網(wǎng)實現(xiàn)各種大規(guī)模新能源的安全高效的接入電網(wǎng)的核心技術(shù)之一。

在新一代高壓大功率可關(guān)斷電力電子器件中，由于IGBT器件的優(yōu)越的門極控制功能、較低的通態(tài)損耗和電壓電流參數(shù)的迅速提高，使得IGBT器件已成為大功率電力電子技術(shù)中的首選器件。IGBT能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，并提高電力的利用效率，具有很好的環(huán)境保護效益，被公認(rèn)為電力電子技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，是未來應(yīng)用發(fā)展的必然方向。

不過，隨著lGBT的應(yīng)用日益廣泛，人們對其性能的要求也越來越高，一方面，為了提高工作頻率，降低系統(tǒng)噪聲。IGBT的開關(guān)速度應(yīng)越快越好，另一方面，為了在不増大散熱片尺寸的情況下IGBT的功耗又必須足夠低。此外，電力系統(tǒng)應(yīng)用中，IGBT的特性必須非常穩(wěn)定，保證電力的安全、可靠、穩(wěn)定的運行。近幾年來，芯片技術(shù)不斷改進，一代又一代高性能的IGBT及IGBT模塊層出不窮，盡管如此，IGBT的功耗還沒有降到用戶滿意的程度，特性還是不夠穩(wěn)定。

在這種情況下，針對電力系統(tǒng)的特殊特點和需求，進行IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)的研究可以解決現(xiàn)階段降低能耗、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性、減少射頻與電磁干擾等問題。IGBT與快恢復(fù)二極管匹配技術(shù)不僅可以從芯片級提出相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)，還可以從模塊級、裝置綴、系統(tǒng)級提出對器件相應(yīng)的參數(shù)，以用于改善整個系統(tǒng)的性能，比如針對IGBT的串聯(lián)需求對IGBT壓接式模塊進行l(wèi)GBT與FRD的匹配研究。

IGBT的產(chǎn)品系列中，有一類是內(nèi)置了快速恢復(fù)二極管(簡稱“FRD”)。在逆變器和電機驅(qū)動等IGBT的應(yīng)用場合，這種二極管被用作開關(guān)過程中產(chǎn)生的反向電流的通道，被稱為“續(xù)流二極管”，通常采用“FRD”。為了滿足IGBT與FRD的配套使用需求，市場上提供了內(nèi)置FRD的IGBT產(chǎn)品。

通?？梢栽谄浼夹g(shù)規(guī)格書中找到明確標(biāo)注。此外，該產(chǎn)品的引腳配置圖也會顯示FRD是內(nèi)置的。不僅如此，技術(shù)規(guī)格書還會詳細(xì)列出IGBT以及內(nèi)置FRD的各項規(guī)格。

快恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode，簡稱FRD)是一種具有快速反向恢復(fù)特性的半導(dǎo)體器件，采用PIN結(jié)構(gòu)設(shè)計以減少存儲電荷，使反向恢復(fù)時間可縮短至幾十納秒至數(shù)百納秒 [1-2]。其核心參數(shù)包括正向壓降(0.4V-1.1V)、反向擊穿電壓(可達(dá)數(shù)千伏)及反向恢復(fù)電荷(Qrr)，主要封裝形式涵蓋TO-220、TO-3P等 [2-3]。該器件通過優(yōu)化摻雜工藝、采用寬禁帶半導(dǎo)體材料(如碳化硅、氮化鎵)及新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(超級結(jié)、溝槽結(jié)構(gòu))，實現(xiàn)低導(dǎo)通損耗與高耐壓能力 [1-2]。在選型時需根據(jù)電路工作電壓、電流及開關(guān)頻率匹配反向恢復(fù)時間(trr)，并預(yù)留20%-30%的電壓電流裕量 [2]。主要應(yīng)用于開關(guān)電源整流、PWM脈寬調(diào)制、變頻器續(xù)流及光伏逆變器等領(lǐng)域，通過減少反向恢復(fù)電流持續(xù)時間與幅值提升電路效率 [1] [3]。高頻工況下需綜合考慮正向?qū)〒p耗與反向恢復(fù)損耗，其功耗計算公式為PD=Pon+Psw-off(其中Psw-off≈Vr×Irrm×trr×fsw/2) [2]。

由于內(nèi)置了FRD，IGBT的優(yōu)勢在于減少了元器件數(shù)量和安裝面積，從而提升了整體可靠性。在逆變器和電機驅(qū)動等應(yīng)用場合，續(xù)流二極管的高速特性至關(guān)重要，特別是其反向恢復(fù)時間trr。開關(guān)過程中的開通損耗主要受到反向恢復(fù)電流的影響，因此，為了降低這一損耗，需要采用具有高速trr特性的FRD。同樣，這也適用于內(nèi)置于IGBT中的FRD。

內(nèi)置FRD的振鈴現(xiàn)象

由于FRD的trr速度極快，導(dǎo)致反向恢復(fù)電流急劇收縮，進而引發(fā)振鈴(噪聲)問題，這在電磁兼容性(EMC)方面顯得尤為突出。因此，對FRD的要求是，其反向恢復(fù)特性需具備trr短且能夠平滑收斂的特點，即所謂的“軟恢復(fù)型”產(chǎn)品。為了更直觀地展示這一差異，我們對比了內(nèi)置軟恢復(fù)型FRD的RGS系列和RGT系列IGBT與內(nèi)置普通FRD的IGBT的FRD反向恢復(fù)特性。

RGS系列與RGT系列IGBT所內(nèi)置的FRD，展現(xiàn)出了出色的軟恢復(fù)特性。即便在高達(dá)di/dt=1000A/μs的快速開關(guān)速度下，其反向恢復(fù)電流仍能迅速且平滑地收斂，未出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，即使在Tj=125℃的高溫環(huán)境下也依舊保持穩(wěn)定。相較之下，普通IGBT產(chǎn)品則明顯出現(xiàn)了振鈴問題。

雖然內(nèi)置FRD的IGBT為用戶帶來了極大的便利，但在選擇和使用時，務(wù)必仔細(xì)核查其內(nèi)置FRD的反向恢復(fù)特性。這是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因為系統(tǒng)在高電壓和大電流環(huán)境下可能產(chǎn)生的振鈴和浪涌對電磁兼容性(EMC)構(gòu)成重大威脅

快恢復(fù)二極管模塊是電力電子領(lǐng)域中常用的一種功率器件，在眾多電子設(shè)備和電力系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。要深入了解快恢復(fù)二極管模塊，掌握其特點是至關(guān)重要的，這些特點決定了它在不同應(yīng)用場景中的適用性和優(yōu)勢。

快恢復(fù)二極管模塊最顯著的特點之一就是其快速的恢復(fù)特性。在電路中，二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)時，會經(jīng)歷一個反向恢復(fù)過程。普通二極管的反向恢復(fù)時間較長，這在高頻電路中會產(chǎn)生較大的損耗和干擾。而快恢復(fù)二極管模塊通過特殊的制造工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大縮短了反向恢復(fù)時間。一般來說，其反向恢復(fù)時間可控制在幾十納秒到幾百納秒之間，相較于普通二極管有了數(shù)量級的提升。這種快速恢復(fù)特性使得快恢復(fù)二極管模塊在高頻開關(guān)電源、高頻整流電路等應(yīng)用中能夠有效地減少開關(guān)損耗，提高電路的效率和性能。例如，在開關(guān)電源中，快速的恢復(fù)時間可以讓二極管在開關(guān)管關(guān)斷時迅速截止，減少反向電流的持續(xù)時間，從而降低功率損耗，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。

快恢復(fù)二極管模塊通常具備較高的耐壓能力。在許多電力電子應(yīng)用中，電路需要承受較高的電壓，如工業(yè)電機驅(qū)動、電力傳輸與分配等領(lǐng)域?？旎謴?fù)二極管模塊能夠承受從幾百伏到數(shù)千伏的電壓，滿足不同電壓等級電路的需求。這一特性使得它可以應(yīng)用于各種高壓環(huán)境中，保證電路的穩(wěn)定運行。以工業(yè)電機驅(qū)動系統(tǒng)為例，電機在啟動和停止過程中會產(chǎn)生較高的反電動勢，快恢復(fù)二極管模塊憑借其高耐壓能力，可以有效地保護電路中的其他元件免受過高電壓的沖擊，確保系統(tǒng)的可靠性。

除了高耐壓能力，快恢復(fù)二極管模塊還具有大電流處理能力。在一些功率較大的電路中，需要二極管能夠通過較大的電流?？旎謴?fù)二極管模塊通過優(yōu)化芯片尺寸、電極結(jié)構(gòu)等設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的額定電流。常見的快恢復(fù)二極管模塊額定電流范圍可以從幾安培到幾百安培不等，這使得它能夠滿足不同功率等級電路的需求。例如在電動汽車的充電系統(tǒng)中，由于充電功率較大，需要能夠承受大電流的二極管來實現(xiàn)高效的整流和功率轉(zhuǎn)換，快恢復(fù)二極管模塊的大電流處理能力就很好地滿足了這一需求。正向壓降是二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下兩端的電壓降?？旎謴?fù)二極管模塊具有較低的正向壓降，這意味著在電流通過時，其功率損耗相對較小。較低的正向壓降可以減少電路中的能量損失，提高系統(tǒng)的效率。在一些對功耗要求較高的應(yīng)用中，如通信電源、服務(wù)器電源等，低正向壓降的特性尤為重要。以通信基站的電源模塊為例，大量的二極管在工作過程中，如果正向壓降較高，將會產(chǎn)生較大的功耗，不僅浪費能源，還會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。而快恢復(fù)二極管模塊的低正向壓降特性有效地解決了這一問題，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了能源利用率。

快恢復(fù)二極管模塊在不同的溫度環(huán)境下能夠保持較為穩(wěn)定的性能，具有良好的溫度特性。在高溫環(huán)境中，其反向電流的增加相對較小，耐壓能力和恢復(fù)特性也不會受到太大影響。而在低溫環(huán)境下，它依然能夠保持快速的恢復(fù)速度和較低的正向壓降。這種良好的溫度特性使得快恢復(fù)二極管模塊可以在各種惡劣的溫度條件下正常工作。例如在航空航天、汽車電子等領(lǐng)域，設(shè)備需要在極端溫度環(huán)境下運行，快恢復(fù)二極管模塊的良好溫度特性能夠確保電路在高溫、低溫等復(fù)雜環(huán)境下可靠工作，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

在電路啟動瞬間，往往會產(chǎn)生較大的浪涌電流，這對二極管等元件是一個嚴(yán)峻的考驗。快恢復(fù)二極管模塊具備較強的抗浪涌電流能力，能夠承受比額定電流大幾倍甚至幾十倍的浪涌電流沖擊而不損壞。這一特性確保了模塊在電路啟動時的可靠性，減少了因浪涌電流過大而導(dǎo)致元件損壞的風(fēng)險。例如在一些大型電力設(shè)備啟動時，會產(chǎn)生巨大的浪涌電流，快恢復(fù)二極管模塊憑借其強大的抗浪涌電流能力，可以安全地應(yīng)對這種情況，保證設(shè)備的正常啟動和運行。