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快速軟恢復(fù)二極管的工作原理及參數(shù)影響

作者:海飛樂技術(shù) 時(shí)間:2018-05-23 20:38

    恢復(fù)過程很短的二極管,特別是反向恢復(fù)過程很短的二極管稱為快速恢復(fù)二極管(Fast Recovery Diode)。高頻化的電力電子電路不僅要求快速恢復(fù)二極管的正向恢復(fù)特性較好,即正向瞬態(tài)壓降小,恢復(fù)時(shí)間短;更要求反向恢復(fù)特性也較好,即反向恢復(fù)時(shí)間短,反向恢復(fù)電荷少,并具有軟恢復(fù)特性。
  開通特性  
  二極管的開通也有一個(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),井具有很小的管壓降。這就是說,二極管開通初期呈現(xiàn)出明顯的“電感效應(yīng)”,不能立即響應(yīng)正向電流的變化。圖1所示為管壓降隨時(shí)間變化的曲線,其中UFF為正向峰值電壓,trr為正向恢復(fù)時(shí)間。圖2所示為二極管開通電流的波形,電流上升率用diF/dt表示。在正向恢復(fù)時(shí)間內(nèi),正在開通的二極管具有比穩(wěn)態(tài)大的多的峰值電壓UFF。當(dāng)正向電往上升率超過50A/µs時(shí),在某些高壓二極管中具有較高的瞬態(tài)壓降。這一概念在緩沖電路中的快速應(yīng)用時(shí)顯得非常重要。
   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、器件封裝采用的磁性材料等因素有關(guān)。電感效應(yīng)對電流的變化率最敏感,因此開通時(shí)二極管電流的上升率di/dt越大,峰值電壓UFF就越高,正向恢復(fù)時(shí)間也越長。

  圖1 管壓降隨時(shí)間變化的曲線
圖1 管壓降隨時(shí)間變化的曲線
圖2 二極管導(dǎo)通電流波形
圖2 二極管導(dǎo)通電流波形

關(guān)斷特性  
     所有的PN結(jié)二極管,在傳導(dǎo)正向電流時(shí),都將以少子的形式儲存電荷。少子注入是電導(dǎo)調(diào)制的機(jī)理,它導(dǎo)致正向壓降(VF)的降低,從這個(gè)意義上講,它是有利的。但是當(dāng)正在導(dǎo)通的二極管突然加一個(gè)反向電壓時(shí),由于導(dǎo)通時(shí)在PN結(jié)區(qū)有大量少致載流子存貯起來,故到截止時(shí)要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時(shí)間的,即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間,這個(gè)過程就是反向恢復(fù)過程,發(fā)生這一過程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間(trr)。值得注意的是在未恢復(fù)阻斷能力之前,二極管相當(dāng)于處于短路狀態(tài)。
  用軟化系致S(Softness factor)來描述反向恢復(fù)電流由最大值IRM消失的速率:
反向恢復(fù)電流由最大值IRM消失的速率(1)
反向恢復(fù)電流的下降速度di/dt是一個(gè)重要的參數(shù)。若di/dt過大,由于線路存在電感L,則會使反向峰值電壓URM過高,有時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩,致使二極管損壞,可以用軟特性和硬特性的概念來表示di/dt對反向特性的影響。軟化系數(shù)S還可以表示為:
軟化系數(shù)S表示式2(2)
通過上式可以預(yù)測反向峰值電壓的幅值:
反向峰值電壓的幅值計(jì)算式(3)
 其中,L為電路總電感,URM即為二極管反向恢復(fù)時(shí)施加于有源器件的峰值電壓,其值一定要小于有源器件的電壓額定值,因此用di(rec)/dt表示軟度因子更有實(shí)用意義。
  耗盡儲存電荷所需的總的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間trr,作為開關(guān)速度的量度,它是選用二極管時(shí)的一個(gè)非常重要的參數(shù),一般用途的二極管trr為25µs左右,使用在整流以及頻率低于1kHz以下的電路中是可以的,但若用于斬波波和逆變電路中,必須選用trr在5µs以下的快速恢復(fù)二極管,在一些吸收電路中要求快開通和軟恢復(fù)二極管。
  由軟度因子定義可知,它其實(shí)就是反映二極管在反向恢復(fù)的tb過程中基區(qū)少子因復(fù)合而消失的時(shí)間長短。所以,軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴(kuò)散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切的關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴(kuò)展后的剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷,并駐留更長的時(shí)間將提高軟度因子。



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