如何藉助雪崩二極體提供過壓保護?
2020-11-25 EDN電子設計技術當IGBT在高性能應用中高速接通和斷開時，總會發生過壓。例如，當關閉負載電流電路時，集電極 - 發射極電壓突然上升，達到非常高的峰值。由開關引起的過電壓會嚴重損壞甚至破壞開關電晶體。
YTpednc雪崩二極體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，雪崩二極體用作直接反饋。如果關斷導致電感負載過壓峰值，則由雪崩二極體傳導至IGBT柵極，並且IGBT重新接通。
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上圖顯示了基本原理：當電壓上升時，二極體被阻斷(A)。在耗盡區中，一個自由電子觸發雪崩的瞬間，電壓突然下降到低於30V的擊穿電壓電平，雪崩二極體立刻擊穿(B)。在重新啟動之前，有時只能保持雪崩電流在短時間內穩定，並且電壓再次上升(C)。擊穿延遲(D)即兩次擊穿事件之間的時間，是不能預測的。
YTpednc建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極體用於有源鉗位過壓保護，因為它們能夠：
YTpednc˙ 在快速上升的反向電壓下，更快擊穿
YTpednc˙ 在低電流(低於~1mA)時具有更穩定擊穿電壓，因此：
YTpednc˙ 延長其它器件的壽命，例如 IGBT或Mosfet，結果：
YTpednc˙ 為變頻器或電機控制器等應用節省成本，因為組件較少需要更換。
YTpednc雪崩二極體的噪聲是如何產生的？
雪崩二極體的噪聲來自雪崩的不斷接通和斷開，即電壓峰值的不斷產生及其突然擊穿(見圖)。觸發雪崩擊穿有兩個先決條件：
YTpednc1. 存在足夠的擊穿電壓以產生用於碰撞電離的臨界電場強度。
YTpednc2. 存在自由電子，因而形成漏電流。
YTpednc例如，1.6pA = 1.6 x 10-12A漏電流等於通過阻擋層的電子流速為每秒107電子，這意味著在統計上每100ns只能觸發一次雪崩。然而，由於不是每個電子都會觸發雪崩，實際上觸發時間會更長。因此，觸發雪崩擊穿的概率與洩漏電流成比例。換句話說：漏電流越大，觸發雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時間越短(圖中：D)。
YTpednc在兩個衝擊漏電流電子之間，二極體處的反向電壓可以顯著上升到高於擊穿電壓電平。只有當下一個衝擊電子觸發雪崩時，二極體的電壓才會突然下降到擊穿電壓水平。
YTpednc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的碰撞電離保持自身運行，從而產生穩定的雪崩電流。
YTpednc但是，如果源電流太低，例如100μA，低於擊穿電壓電平的雪崩電壓突然下降，使得二極體放電，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體和線電容充電，使低源電流達到所需的電壓電平，然後下一個電子才能觸發新的雪崩。這種雪崩的不斷接通和斷開導致雪崩二極體擊穿的典型噪聲。
YTpednc二極體噪聲性能的差異在圖中也可見：圖中顯示了兩個Z二極體(齊納二極體)的擊穿電壓範圍，在100μA的反向電流(IR)下測得的擊穿電壓為30V。其中一個二極體基於標準技術，使用極低的漏電流，另一個則採用「低噪聲技術」。具有「低噪聲技術」的齊納二極體具有更穩健的電壓特性，優於僅能在短時間內保持恆定雪崩電流的另一個二極體(C)。
YTpednc威世提供採用「低噪聲技術」的Z二極體，這些新一代產品包括SMF、BZD27、BZG 03、BZG04、 BZG05、PLZ 和 VTVS系列，由於適度增加漏電流(IR~10nA)而明顯增加了觸發雪崩擊穿的可能性，從而降低了噪聲，並為用戶提供了在低電流(低於~1mA)時更穩定的擊穿電壓以及快速上升反向電壓的更快擊穿。
YTpednc二極體噪聲的更進一步影響因素
漏電流隨溫度增加而呈指數上升，即噪聲隨溫度升高而降低；光還可以釋放二極體耗盡區中的自由電子，從而降低噪聲水平。這意味著：四周環境越暗越冷，噪音水平越高。YTpednc
作者：儒卓力分立半導體產品部經理Jürgen Gerber，威世二極體部門TVS和ESD保護二極體和EMI濾波器應用和產品工程高級經理Jochen KriegerYTpednc
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