快恢复二极管的反向恢复特性

  二极管的反向特性。在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当普通二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，二极管会反向热击穿而损坏。
  快恢复二极管的反向恢复特性决定着功率变换器的性能，在双极功率晶体管的电流下降时间大于1us(开通时间约100ns)时期，二极管的反向恢复在双极功率晶体管的开通过程中完成，而且双极功率晶体管达到额定集电极电流的1/2-2/3左右后随着Ic上升Hfe急剧下降，限制了二极管的反向恢复电流的峰值，在某种意义上，也限剬了di/dt，双极功率晶体管的开通过程掩盖了二极管的反向恢复特性，因而对二极管的反向恢复仅仅是反向恢复时间提出要求。随着功率半导体器件的开关速度提高，特别是Power MOSFET、高速IGBT的出现，不仅开通速度快(可以在数十纳秒内将MOSFET彻底导通或关断)，而且在额定驱动条件下，其漏极/集电极电流可以达到额定值的5-10倍，使MOS或IGBT在开通过程中产生高的反向恢复峰值电流IRRM，同时MOS或IGBT在开通过程结束后二极管的反向恢复过程仍然存在，使二极管的反向恢复特性完全暴露出来，高的IRRM、di/dt使开关管和快速二极管本身受到高峰值电流冲击并产生较高的EMT。因而对二极管的反向恢复特性不仅仅限于反向恢复时间短，而且要求反向恢复电流峰值尽可能低，反向恢复电流的下降，上升的速率尽可能低，即超快、超软以降低开关过程中反向恢复电流对开关电流的冲击，减小开关过程的EMI。
  当快恢复二极管正向导通电流时，将从阳极和阴极注入大量载流子，并在基区以少数载流子的形式储存电荷，即从阳极注入的空穴以少子的形式在基区存储电荷。但当电路中导通的快恢复二极管因外加反向电压使其换向时，要实现快恢复二极管的“断态”，必须把快恢复二极管导通时在基区储存的大量少数戴流子完全抽出或者中和掉，这就需要一定时间才能使快恢复二极管恢复反向阻断能力，这时间就定为快恢复二极管的反向恢复时间trr。
  如图1所示，由图可见，快恢复二极管的主要关断特性参数为：反向恢复时间trr，反向峰值电流IRRM，反向恢复电荷Qrr以及反向电流衰减率（dirr/dt），图亦显示了快恢复二极管从正向导通到反向恢复的全过程，图中，反向恢复时间trr=ta+tb，ta表示少数戴流子的存储时间，而tb表示少数戴流子的复合时间，而且trr应尽量短，这就是超快恢复的要求，且ta应尽量小于tb，ta期间快恢复二极管还没有恢复反向阻断能力，器件加不了反向电压，而tb期间，反向阻断能力开始恢复，这段时间内反向电流恢复率（dirr/dt）连同电路中的寄生电感将产生过电压尖峰和高频干扰电压，dirr/dt越高（即硬恢复）对快恢复二极管本身和与其并联的开关器件所作用的附加电应力就越大，有时甚至使开关器件损坏，必须引起注意。而缓慢的反向电流恢复率dirr/dt（即软恢复）是最合乎需要的特性曲线，通常用软度因子S=tb/ta来表示器件的反向恢复曲线的软度，因此，选用反向恢复时间trr短，反向峰值电流IRM小，反向恢复电荷Qrr小以及反向恢复特性软的FRED管是逆变电路中最合适的，同时也可降低逆变电路中快恢复二极管和开关器件的功耗。

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