二极管的反向瞬态特性

  在很多功率电子电路中，当需要从正向导通态迅速地转换到反向关断态时往往会用到功率二极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压，它的反向恢复性能主要要求有两点:一是要具有较高的di/dt承受能力，主要依赖于最大反向恢复电流l_RM的大小，I_RM小则di/dt的承受能力强:二是避免电流、电压的振荡，另外二极管的反向恢复特性是针对特定的温度、特定的正向电流I_F以及正向电流变化率di_F/dt而言的。
 
  功率二极管两端被施加反向电压后，n基区中的非平衡载流子运动反向变化，形成反向电流。转换初始时，p-n结邻近区域存储的高浓度载流子会阻止空间电荷区的形成，反向抽取电流J_R是依靠结边缘上的空穴、电子的扩散形成的，根据电沉连续性原理可得：

 
  由2式可知PiN功率二极管阳极一侧电荷移出的速度要比阴极快3倍左右。
 
  电流以一定的速率减小并逐步降为零，该速率是由外电路的电感L以及反向电压U_R决定的，参见式3。电流的减小削弱了过剩载流子在i区的电导调制作用，加上内部电感的作用，二极管上的电压降U_F仍然为正向偏置而且变化很小。事实上只要沿P⁺N^-结方向的过剩空穴浓度差△P_N>0，管压降的极性不会改变。   只有当存储电荷大量复合掉，或者有足够多的电荷随着反向电流扩散出去时，p-n结处的载流子浓度才会达到热平衡的水平，建立空间电荷区，并承受部分反压，对应的时间如图3中的t_a。如果电路中有较大的电感和二极管的管腿相连，反向电流峰值处di/dt的变化会导致反向电压中很大的尖峰U_RRM，见式4、式5，式中S为软度因子，功率P-i-N二极管反向恢复过程中过剩载流子分布的变化如图1所示。  
  空间电荷区建立后，反向电沉开始下降，直到饱和为止，该电流主要靠距离空间电荷区较远的空穴来维持，会受到基区载流子扩散和复合的控制。反向电压V_R开始上升，空间电荷区逐渐扩展。随着结电压的上升，空间电荷区的扩展会增大扩散电流。当反向电流达到它的最大值I_RRM(见式6)以后逐渐下降为零，反向电流增加了电路的功率损耗同时降低了器件的可靠性。在图2中t_b的末端电流变化率变为零，反向电压达到极大值，随后感生电动势逐渐归零，反向电压下降直至V_R，反向恢复过程中的电压、电流波形如图2所示。
 
  总之，当电路的开关级率较高的时候，关断时的di/dt就会增大，必然导致反向恢复电流峰值I_RRM变大，同时恢复时的电流变化率di/dt升尚，这就要求电路中所有元器件的击穿电压要高，但是增高击穿电压又会使正向电压变大，降低了系统的效率。实际电路中总会存在寄生电感，在反向电流下降过程中会产生一个反向感生电动势，不可避免地会造成反向电压的过冲。通过对电路进行合理地优化设计可以将电感减小，但是降低电流的上升速率和二极管中电流的下降速率还是很有必要的。在实际电路布图中，要协调考虑功率二极管的反向恢复特性和开关的导通特性以优化电路的性能。


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