快恢復(fù)二極管的開關(guān)特性

  在開關(guān)電源中，除了工頻整流器外，快恢復(fù)二極管大多工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此二極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性就十分重要，其中主要是正向特性和反向恢復(fù)特性。使用中要求二極管正向瞬態(tài)壓降小。反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)電荷少，并具有軟恢復(fù)特性。
 
  1 快恢復(fù)二極管的開關(guān)特性
  (1)開通特性
  快恢復(fù)二極管的開通有一個(gè)過程，開通初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，經(jīng)過一定時(shí)間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有很小的管壓降，這就是說，二極管開通初期不能立即響應(yīng)正向電流的變化。圖1給出了二極管開通特性的曲線。圖1a所示為管壓降隨時(shí)間變化的曲線，其中Ufp為正向峰值電壓，tfr為正向恢復(fù)時(shí)間，圖1b所示為二極管開通電流的波形，電流上升率用diF/dt表示，由圖可知，正在開通的二極管具有比穩(wěn)態(tài)大得多的峰值電壓Ufp。

  開通時(shí)二極管呈現(xiàn)的電感效應(yīng)，除了器件內(nèi)部機(jī)理的原因之外，還與引線長度、器件封裝采用的材料和外電路等因素有關(guān)。電感效應(yīng)對(duì)電流的變化率最敏感，因此，開通時(shí)二極管電流的上升率diF/dt越大，峰值電壓Ufp就越高，正向恢復(fù)時(shí)間也越長。與其他半導(dǎo)體器件相似，結(jié)溫的增加使開通特性變差，也即隨著結(jié)溫的增加，正向恢復(fù)時(shí)間1trr和峰值電壓Ufp也增加。
 
  (2)關(guān)斷特性
  正在導(dǎo)通的二極管突然加一反向電壓時(shí)，反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間，在未恢復(fù)阻斷能力之前，二極管相當(dāng)于短路狀態(tài)，這是一個(gè)很重要的特性。全部恢復(fù)過程如圖2所示，圖中IRM為最大反向恢復(fù)電流，Q1、Q2為反向恢復(fù)電荷，trr為反向恢復(fù)時(shí)間，這幾個(gè)參數(shù)在電路設(shè)計(jì)中是最重要的參數(shù)。下面討論反向恢復(fù)過程。   由圖2可知，從時(shí)間t=tf開始，給已經(jīng)導(dǎo)通的二極管加以反向電壓UR，反向恢復(fù)電流irr開始流通，原來導(dǎo)通的正向電流IF就以dlF/dt的速率減小，這個(gè)電流變化率由反向電壓和開關(guān)電路中的電感決定，即有：   當(dāng)t=t0二極管中的電流等于零。在這之前二極管處于正值置，電流為正向電流。在t0時(shí)刻后，正向壓降稍有下降，但仍為正偏置，電流開始反向。
  在t=t1時(shí)刻，電荷Q1已被抽走，反向電流已達(dá)最大值IRM，二極管開始恢復(fù)阻斷能力。在這一時(shí)刻之前，電源電壓由線路電感上電壓來平衡，但在電流最大值IRM時(shí)，diF/dt=0，電感電壓等于零，電源電壓由二極管上電壓來平衡。
  在t>t1之后，反向恢復(fù)電流迅速下降，其下降速率dirr/dt較高，在線路電感中產(chǎn)生較高的電勢(shì)。這個(gè)電勢(shì)與電源電壓一同加在二極管上，所以二極管承受很高的反向電壓URM。
  在t=t2之后，dirr/dt逐漸減小為零，電感電壓等于零，二極管承受電源電壓UR。這時(shí)電荷Q2也被抽空，二極管處于承受靜態(tài)反向電壓階段。
  影響反向恢復(fù)過程長短的主要因素是反向恢復(fù)電荷，即在反向恢復(fù)過程中抽
走的總電荷量QR，QR可由下式求出：   QR是一個(gè)很重要的參數(shù)。若QR少，則反向恢復(fù)時(shí)同trr短，這是快恢復(fù)二極管與普通整流二極管的根本區(qū)別之處。
  反向恢復(fù)電荷QR與二極管正向電流，diF/dt以及結(jié)溫有關(guān)。正向電流和電流變化率増加，QR増加。因?yàn)榻Y(jié)溫増加之后，載流子壽命增加，所以QR也増加。
  二極管反向恢復(fù)期間，在二極管內(nèi)消耗的能量由下式?jīng)Q定：   式中前一項(xiàng)由電荷QR決定：后一項(xiàng)由電感L中的貯能決定。由此看來，反向恢復(fù)損耗與二極管的反向恢復(fù)電荷密切相關(guān)。為了減小損耗，應(yīng)該選用QR小的二極管。QR小，反向恢復(fù)時(shí)間trr=t2-ta也小。trr是快恢復(fù)二極管的一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，在使用中應(yīng)注意選擇。
  反向恢復(fù)電流的下降速度dirr/dt也是一個(gè)重要參數(shù)。若dirr/di過大，由于線路存在電感L，則會(huì)使反向峰值電壓URM過高，有時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，致使二極管損壞?？捎密浱匦院陀蔡匦缘母拍顏肀硎綿irr/dt對(duì)反向特性的影響。特性的軟硬度用“軟因子”來衡量，軟因子Sr的定義為： 式中t2，由電流irr在IRM/4處的投影來決定，如圖3所示。軟因子也有用URM/UR的大小或者IRM點(diǎn)兩側(cè)的斜率來表示的。   圖3a表示Sr=0.3的硬特性器件的電流曲線，圖3b表示Sr=0.8的軟特性器件的電流曲線。實(shí)際應(yīng)用時(shí)要選用Sr大的二極管。若Sr大，二極管承受的反壓峰值URM則小。
  目前有PN和PIN型兩種結(jié)構(gòu)的快速恢復(fù)整流二極管。在同等容量下PIN型結(jié)構(gòu)具有開通壓降低，反向快速恢復(fù)性能好的優(yōu)點(diǎn)。不足之處是PIN型二極管具有硬恢復(fù)特性，而PN型結(jié)構(gòu)則具有軟的恢復(fù)特性。實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)應(yīng)用條件而進(jìn)行選擇。
 



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