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整流二极管的反向恢复过程图解

发布时间:2021-07-21

【导读】随着电力电子技术向高频化、模块化方向发展,快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管。快恢复二极管作为一种高频器件也得到蓬勃发展,现已广泛用于各种高频逆变装置和斩波调速装置内,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。起到高频整流、续流、吸收、隔离和箝位的作用。

随着电力电子技术向高频化、模块化方向发展,快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管。快恢复二极管作为一种高频器件也得到蓬勃发展,现已广泛用于各种高频逆变装置和斩波调速装置内,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。起到高频整流、续流、吸收、隔离和箝位的作用。
 
现代脉冲电路中大量使用晶体管或二极管作为开关, 或者使用主要是由它们构成的逻辑集成电路。而作为开关应用的二极管主要是利用了它的通(电阻很小)、断(电阻很大) 特性, 即二极管对正向及反向电流表现出的开关作用。二极管和一般开关的不同在于,“开”与“关”由所加电压的极性决定, 而且“开”态有微小的压降Vf,“关”态有微小的电流I0。当电压由正向变为反向时, 电流并不立刻成为(-I0) , 而是在一段时间ts 内, 正向电流始终很大, 二极管并不关断。经过ts后, 正向电流才逐渐变小, 再经过tf 时间, 二极管的电流才成为(-I0) ,。ts 称为储存时间,tf 称为下降时间。tr=ts+tf 称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。
 
反向恢复过程,实际上是由电荷存储效应引起的,反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。假设为Trr,若有一频率为T1的连续PWM波通过二极管,当Trr《T1时,二极管方反向时就不能阻断此PWM波,起不到开关作用。二极管的反向恢复时间由Datasheet提供。反向恢复时间快使二极管在导通和截止之间迅速转换,可获得较高的开关速度,提高了器件的使用频率并改善了波形。
 
快恢复二极管的最主要特点是它的反向恢复时间(trr)在几百纳秒(ns)以下,超快恢复二极管甚至能达到几十纳秒。所谓反向恢复时间(trr),它的定义是:电流通过零点由正向转换成反向,再由反向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。
 
整流二极管的反向恢复过程图解
一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程
 
整流二极管的反向恢复过程图解
 
在上图所示的硅二极管电路中加入一个如下图所示的输入电压。在0―t1时间内,输入为+VF,二极管导通,电路中有电流流通。
 
整流二极管的反向恢复过程图解
 
设VD为二极管正向压降(硅管为0.7V左右),当VF远大于VD时,VD可略去不计,则
 
整流二极管的反向恢复过程图解
 
在t1时,V1突然从+VF变为-VR。在理想情况下 ,二极管将立刻转为截止,电路中应只有很小的反向电流。但实际情况是,二极管并不立刻截止,而是先由正向的IF变到一个很大的反向电流IR=VR/RL,这个电流维持一段时间tS后才开始逐渐下降,再经过tt后 ,下降到一个很小的数值0.1IR,这时二极管才进人反向截止状态,如下图所示。
 
整流二极管的反向恢复过程图解
 
通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。其中tS称为存储时间,tt称为渡越时间,tre=ts+tt称为反向恢复时间。 由于反向恢复时间的存在,使二极管的开关速度受到限制。
 
二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应
 
产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压VF时,载流子不断扩散而存储的结果。当外加正向电压时P区空穴向N区扩散,N区电子向P区扩散,这样,不仅使势垒区(耗尽区)变窄,而且使载流子有相当数量的存储,在P区内存储了电子,而在N区内存储了空穴 ,它们都是非平衡少数载流于,如下图所示。
 
整流二极管的反向恢复过程图解
 
空穴由P区扩散到N区后,并不是立即与N区中的电子复合而消失,而是在一定的路程LP(扩散长度)内,一方面继续扩散,一方面与电子复合消失,这样就会在LP范围内存储一定数量的空穴,并建立起一定空穴浓度分布,靠近结边缘的浓度最大,离结越远,浓度越小 。正向电流越大,存储的空穴数目越多,浓度分布的梯度也越大。电子扩散到P区的情况也类似,下图为二极管中存储电荷的分布。
 
我们把正向导通时,非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。
 
当输入电压突然由+VF变为-VR时P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失,但它们将通过下列两个途径逐渐减少:① 在反向电场作用下,P区电子被拉回N区,N区空穴被拉回P区,形成反向漂移电流IR,如下图所示;
 
整流二极管的反向恢复过程图解
 
②与多数载流子复合。
 
在这些存储电荷消失之前,PN结仍处于正向偏置,即势垒区仍然很窄,PN结的电阻仍很小,与RL相比可以忽略,所以此时反向电流IR=(VR+VD)/RL。VD表示PN结两端的正向压降,一般 VR》》VD,即 IR=VR/RL。在这段期间,IR基本上保持不变,主要由VR和RL所决定。经过时间ts后P区和N区所存储的电荷已显著减小,势垒区逐渐变宽,反向电流IR逐渐减小到正常反向饱和电流的数值,经过时间tt,二极管转为截止。
 
由上可知,二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程,实质上由于电荷存储效应引起的,反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。
 
二极管和一般开关的不同在于,“开”与“关”由所加电压的极性决定, 而且“开”态有微小的压降V f,“关”态有微小的电流i0。当电压由正向变为反向时, 电流并不立刻成为(- i0) , 而是在一段时间ts 内, 反向电流始终很大, 二极管并不关断。
 
经过ts后, 反向电流才逐渐变小, 再经过tf 时间, 二极管的电流才成为(- i0) , ts 称为储存时间, tf 称为下降时间。tr= ts+ tf 称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。这实际上是由电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比tr 短, 则二极管在正、反向都可导通, 起不到开关作用。
 
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