【導讀】當IGBT在高性能應用中高速接通和斷開(kāi)時(shí)，總會(huì )發(fā)生過(guò)壓。例如，當關(guān)閉負載電流電路時(shí)，集電極發(fā)射極電壓突然上升，達到非常高的峰值。由開(kāi)關(guān)引起的過(guò)電壓會(huì )嚴重損壞甚至破壞開(kāi)關(guān)晶體管。
雪崩二極管如何幫助防止過(guò)電壓？
常見(jiàn)的過(guò)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(guò)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(shí)，二極管被阻斷(A)。在耗盡區中，一個(gè)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(dòng)之前，有時(shí)只能保持雪崩電流在短時(shí)間內穩定，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(shí)間，是不能預測的。
建議將具有改善噪聲性能的雪崩二極管用于有源鉗位過(guò)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(shí)具有更穩定擊穿電壓，因此：
˙ 延長(cháng)其它器件的壽命，例如 IGBT或Mosfet，結果：
˙ 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。
雪崩二極管的噪聲是如何產(chǎn)生的？
雪崩二極管的噪聲來(lái)自雪崩的不斷接通和斷開(kāi)，即電壓峰值的不斷產(chǎn)生及其突然擊穿(見(jiàn)圖)。觸發(fā)雪崩擊穿有兩個(gè)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(chǎng)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(guò)阻擋層的電子流速為每秒107電子，這意味著(zhù)在統計上每100ns只能觸發(fā)一次雪崩。然而，由于不是每個(gè)電子都會(huì )觸發(fā)雪崩，實(shí)際上觸發(fā)時(shí)間會(huì )更長(cháng)。因此，觸發(fā)雪崩擊穿的概率與泄漏電流成比例。換句話(huà)說(shuō)：漏電流越大，觸發(fā)雪崩擊穿的概率越高或擊穿延遲時(shí)間越短(圖中：D)。
在兩個(gè)沖擊漏電流電子之間，二極管處的反向電壓可以顯著(zhù)上升到高于擊穿電壓電平。只有當下一個(gè)沖擊電子觸發(fā)雪崩時(shí)，二極管的電壓才會(huì )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(guò)連續的碰撞電離保持自身運行，從而產(chǎn)生穩定的雪崩電流。
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(shí)，需要一定的時(shí)間來(lái)使二極管和線(xiàn)電容充電，使低源電流達到所需的電壓電平，然后下一個(gè)電子才能觸發(fā)新的雪崩。這種雪崩的不斷接通和斷開(kāi)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(jiàn)：圖中顯示了兩個(gè)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(gè)二極管基于標準技術(shù)，使用極低的漏電流，另一個(gè)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健的電壓特性，優(yōu)于僅能在短時(shí)間內保持恒定雪崩電流的另一個(gè)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(hù)提供了在低電流(低于~1mA)時(shí)更穩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(jìn)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；光還可以釋放二極管耗盡區中的自由電子，從而降低噪聲水平。這意味著(zhù)：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(mén)TVS和ESD保護二極管和EMI濾波器應用和產(chǎn)品工程高級經(jīng)理Jochen Krieger
推薦閱讀：
