二極管的反向瞬態(tài)特性

  在很多功率電子電路中，當(dāng)需要從正向?qū)☉B(tài)迅速地轉(zhuǎn)換到反向關(guān)斷態(tài)時(shí)往往會(huì)用到功率二極管，以通過(guò)負(fù)載中的無(wú)功電流，減小電容的充電時(shí)間，同時(shí)抑制因負(fù)載電流瞬時(shí)反向而感應(yīng)的高電壓，它的反向恢復(fù)性能主要要求有兩點(diǎn):一是要具有較高的di/dt承受能力，主要依賴于最大反向恢復(fù)電流l_RM的大小，I_RM小則di/dt的承受能力強(qiáng):二是避免電流、電壓的振蕩，另外二極管的反向恢復(fù)特性是針對(duì)特定的溫度、特定的正向電流I_F以及正向電流變化率di_F/dt而言的。
 
  功率二極管兩端被施加反向電壓后，n基區(qū)中的非平衡載流子運(yùn)動(dòng)反向變化，形成反向電流。轉(zhuǎn)換初始時(shí)，p-n結(jié)鄰近區(qū)域存儲(chǔ)的高濃度載流子會(huì)阻止空間電荷區(qū)的形成，反向抽取電流J_R是依靠結(jié)邊緣上的空穴、電子的擴(kuò)散形成的，根據(jù)電沉連續(xù)性原理可得：

 
  由2式可知PiN功率二極管陽(yáng)極一側(cè)電荷移出的速度要比陰極快3倍左右。
 
  電流以一定的速率減小并逐步降為零，該速率是由外電路的電感L以及反向電壓U_R決定的，參見(jiàn)式3。電流的減小削弱了過(guò)剩載流子在i區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制作用，加上內(nèi)部電感的作用，二極管上的電壓降U_F仍然為正向偏置而且變化很小。事實(shí)上只要沿P⁺N^-結(jié)方向的過(guò)剩空穴濃度差△P_N>0，管壓降的極性不會(huì)改變。   只有當(dāng)存儲(chǔ)電荷大量復(fù)合掉，或者有足夠多的電荷隨著反向電流擴(kuò)散出去時(shí)，p-n結(jié)處的載流子濃度才會(huì)達(dá)到熱平衡的水平，建立空間電荷區(qū)，并承受部分反壓，對(duì)應(yīng)的時(shí)間如圖3中的t_a。如果電路中有較大的電感和二極管的管腿相連，反向電流峰值處di/dt的變化會(huì)導(dǎo)致反向電壓中很大的尖峰U_RRM，見(jiàn)式4、式5，式中S為軟度因子，功率P-i-N二極管反向恢復(fù)過(guò)程中過(guò)剩載流子分布的變化如圖1所示。  
  空間電荷區(qū)建立后，反向電沉開(kāi)始下降，直到飽和為止，該電流主要靠距離空間電荷區(qū)較遠(yuǎn)的空穴來(lái)維持，會(huì)受到基區(qū)載流子擴(kuò)散和復(fù)合的控制。反向電壓V_R開(kāi)始上升，空間電荷區(qū)逐漸擴(kuò)展。隨著結(jié)電壓的上升，空間電荷區(qū)的擴(kuò)展會(huì)增大擴(kuò)散電流。當(dāng)反向電流達(dá)到它的最大值I_RRM(見(jiàn)式6)以后逐漸下降為零，反向電流增加了電路的功率損耗同時(shí)降低了器件的可靠性。在圖2中t_b的末端電流變化率變?yōu)榱?，反向電壓達(dá)到極大值，隨后感生電動(dòng)勢(shì)逐漸歸零，反向電壓下降直至V_R，反向恢復(fù)過(guò)程中的電壓、電流波形如圖2所示。
 
  總之，當(dāng)電路的開(kāi)關(guān)級(jí)率較高的時(shí)候，關(guān)斷時(shí)的di/dt就會(huì)增大，必然導(dǎo)致反向恢復(fù)電流峰值I_RRM變大，同時(shí)恢復(fù)時(shí)的電流變化率di/dt升尚，這就要求電路中所有元器件的擊穿電壓要高，但是增高擊穿電壓又會(huì)使正向電壓變大，降低了系統(tǒng)的效率。實(shí)際電路中總會(huì)存在寄生電感，在反向電流下降過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向感生電動(dòng)勢(shì)，不可避免地會(huì)造成反向電壓的過(guò)沖。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)可以將電感減小，但是降低電流的上升速率和二極管中電流的下降速率還是很有必要的。在實(shí)際電路布圖中，要協(xié)調(diào)考慮功率二極管的反向恢復(fù)特性和開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通特性以優(yōu)化電路的性能。


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