快恢复二极管反向恢复时间的定义及原理

  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。
 
  1. 反向恢复时间
  一般的超快速二极管的反向时间定义为小于100ns，高耐压超快恢复二极管的反向恢复时间trr比低耐压的长，如耐压200V以下的超快恢复二极管的典型反向恢复时间在35ns以下，耐压600V的典型反向恢复时间约75ns，耐压1000V的超快恢复二极管的典型反向恢复时间约100-160 ns。各生产厂商的产品的反向恢复特性(主要是反向恢复时间trr和反向恢复峰值电流IRRM)是不同的。
 
  1.1 trr与If和di/dt的关系
  trr与If和di/dt的关系如图1所示：

  从图中可见，随着二极管的正向电流lf的增加反向恢复时间trr随着增加：di/dt的增加，反向恢复时间trr减小。因此，以测试小信号开关二极管的测试条件IF=IR=10ma为测试条件的反向恢复时间不能如实表现实际应用情况：以固定正向电流(如1A)为测试条件也不能在实际应用中得到客观再现；不同电流档次以其额定正向电流或其1/2为测试条件则相对客观。
 
  1.2 反向恢复时间与反向电压的关系   图中IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1IRM。当t≤t0时，正向电流I=IF。当t＞t0时，由于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此，正向电流迅速减小，在t=t1时刻，I=0。然后整流管上的反向电流IR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并且在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。
  反向恢复时间随反向电压增加，如果600V超快恢复二极管在反向电压为30V时，反向恢复时间为35ns，向反向电压为350V时其反向恢复时间增加，因此，仅从产品选择指南中按所给的反向恢复时间选用快速二极管，如反向电压的测试条件不同，将导致实际的反向恢复时间的不同，应尽可能的参照数据手册中给的相对符合测试条件下的反向恢复时间为依据。
 
  1.3 反向恢复峰值电流I_RRM
  反向恢复峰值电流I_RRM随-di/dt增加，如图3，因在不同-di/dt的测试条件下，I_RRM的幅值是不同的。   I_RRM随反向工作电压上升，因此额定电压为1000V的快速二极管，在相同的-di/dt条件下，但反向工作电压不同时(如500V与1000V)则I_RRM是不能相比较的。
 
  1.4 结温T的影响
  反向恢复时间trr随工作结温上升，如图4所示，结温125℃时的反向恢复时间是结温25时的近2倍。反向恢复峰值电流IRRM随工作结温上升，结温125时的反向恢复峰值电流是结温25℃时的近1.5倍。反向恢复电荷Qrr随工作结温上升，结温125℃时的反向恢复电荷是结湿25℃时的近3倍以上。  
  1.5 反向恢复损耗
  快恢复二极管的反向恢复损耗与二极管的反向恢复引起的开关管的开通损耗如图5所示。二极管的反向恢复损耗是在反向恢复过程的后半部分t1-t2期间，其损耗的大小与IRRM和t1-t2的大小有关，在二极管的反向恢复过程中，而开关管的开通损耗始终存在。很明显，快速反向恢复二极管的反向恢复损耗与开关管的开通损耗随IRRM和反向恢复时时间增加。  
  1.6  I_RRM、反向恢复损耗及EMI的减小
  在实际应用中快速反向恢复二极管的反向恢复过程将影响电路的性能，为追求低的反向恢复时间，可能会选择高的di/dt，但会引起高的I_RRM、振铃、电压过冲和高的EMI并增加开关损耗，如图6所示：   若适当减小di/dt可降低I_RRM、EMI，消除振零和电压过冲和由此产生的损耗，如图7所示。而di/dt的降低是通过降低开关管的开通速度实现，开关管的开关损耗将增加，因此，改变di/dt不能从本质上解决快速反向恢复二极管的反向恢复存在的全部问题，必须改用性能更好的快速反向恢复二极管，即I_RRM低、trr短、反向恢复特性软，通过各种快速反向恢复二极管的数据，可以找出性能好的快速反向恢复二极管。  
  快恢复二极管模块已广泛用于高频电力电子电路，已成为主要高频器件之一，它的使用技术比较成熟，快恢复二极管模块已在高频逆变焊机，大功率开关电源，高频逆变型电镀电源，高频快速充电器以及高频调速装置等场合批量使用。使整机的机械结构紧凑、简化、体积缩小、重量减轻、节电、节材、可靠性提高，快恢复二极管模块已成为高频逆变电路和斩波电路不可缺少的关健配套器件，随着我国政府节能政策的进一步落实，快恢复二极管模块必将获得更大的发展。
 
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