二極管反向恢復(fù)特性和機理

Word二極管反向恢復(fù)特性和機理

前言

在（電子）電路中，（二極管）是最常用的基礎(chǔ)（電子元器件）之一，在（電力電子）電路中，二極管與開關(guān)器件形影相隨，并且在很多情況下，二極管的數(shù)量要多于開關(guān)器件，可見其重要性。其中與開關(guān)器件匹配使用的大功率二極管要求最為特殊，這種二極管通常被稱作“Freewheeling（Diode）”也就是我們常說的續(xù)流二極管(FWD).下圖是最基本的（IGBT）直流變換器電路，其中VD1~VD4為續(xù)流二極管。

IGBT直流變換器中的FWD

適當(dāng)?shù)倪x擇續(xù)流二極管的特性，可以顯著地減小開關(guān)器件、二極管和其他許多電路元件的功率損耗。還可以減小由續(xù)流二極管所引起的電壓尖峰、（射頻）干擾(（RF）I)和電磁干擾(EMI),從而盡量減小甚至去掉吸收電路。因此續(xù)流二極管的特性對于開關(guān)器件的使用十分重要。

二極管反向恢復(fù)特性和機理

二極管的反向恢復(fù)特性

反向恢復(fù)波形

圖中的符號意義如下：

IFM:二極管通態(tài)峰值電壓

-diF/dt:正向通態(tài)（電流）下降率

IRM：反向峰值電流

VFM：正向通態(tài)電壓

（VR）：反向電壓

VRM：反向峰值電壓

ta:存儲時間

tb:復(fù)合時間

trr:反向恢復(fù)時間

dir(REC)/dt:反向恢復(fù)di/dt

Qrr:反向恢復(fù)電荷

S：反向恢復(fù)軟度

二極管反向恢復(fù)機理

所有的（pi）n二極管，在傳導(dǎo)正向電流時，都將從陽極和陰極注入大量的載流子，從陽極注入的空穴載流子在基區(qū)(i區(qū))則以少子的形式存儲電荷。少子注入使i區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得正向通態(tài)壓降很低。

但是當(dāng)正處于正向?qū)ǖ亩O管突然外加一個反向電壓時，由于i區(qū)有大量少數(shù)載流子的存儲，故在實現(xiàn)反向關(guān)斷之前需要將這些少數(shù)載流子完全抽出或者中和掉，這一過程就是我們所說的反向恢復(fù)過程，所需要的時間被定義為反向恢復(fù)時間trr。

反向恢復(fù)過程的產(chǎn)生原因時少數(shù)載流子的注入，只要是雙極型器件，只要有少子注入，就不可避免的會有反向恢復(fù)過程。但這一過程嚴(yán)重的限制了器件的高頻特性，需要盡可能的減小和消除。

二極管反向恢復(fù)過程分析

下圖是結(jié)合二極管反向恢復(fù)波形進(jìn)行的分析，進(jìn)行了分段講解

二極管反向恢復(fù)軟度

表征二極管軟度的方法通常是ta與tb的比值，即軟度S=tb/ta。

這種表征方法一直被廣泛采用，通常是S越大越好，S越大，意味著反向恢復(fù)dir(REC)/dt越小。dir(REC)/dt會在電路電感中產(chǎn)生較高地帶電動勢(VRM-VR),這個電勢疊加于（電源）電壓VR之上，一起加在二極管及其并聯(lián)地開關(guān)器件上，我們稱之為過沖電壓。dir(REC)/dt和電路電感越大，VRM越高。這個電勢不僅提高了二極管和開關(guān)器件地電壓要求和成本，而且也是二極管和開關(guān)器件的一大威脅，所以反向恢復(fù)dir(REC)/dt對于電路安全設(shè)計十分重要。

VRM=VR+L*dir（REC）/dt

這里還有另外一個表征方法，反向恢復(fù)軟度因子，用FR（RS）表示，其定義如下：

式中各參數(shù)的取值如下圖，顯然FRRS越大越好

可見，軟度因子FRRS和軟度S時統(tǒng)一的，但是FRRS更科學(xué)，更實用。反向恢復(fù)時間trr和軟度因子FRRS的測試條件如下：

小于10%的和200%的額定正向平均電流值；

正向電流下降率(dirr/dt)i=0;

反向電壓(VR)取額定反向重復(fù)峰值電壓的5%；

RC吸收電路(適用時)；

等效結(jié)溫。

以上講述二極管的反向恢復(fù)過程的重要性，