快速软恢复二极管的工作原理及参数影响

作者：海飞乐技术时间：2018-05-23 20:37

恢复过程很短的二极管，特别是反向恢复过程很短的二极管称为快速恢复二极管(Fast Recovery Diode)。高频化的电力电子电路不仅要求快速恢复二极管的正向恢复特性较好，即正向瞬态压降小，恢复时间短；更要求反向恢复特性也较好，即反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。
开通特性
二极管的开通也有一个过程，开通初期出现较高的瞬态压降，经过一定时间后才能处于稳定状态，井具有很小的管压降。这就是说，二极管开通初期呈现出明显的“电感效应”，不能立即响应正向电流的变化。图1所示为管压降随时间变化的曲线，其中U_FF为正向峰值电压，trr为正向恢复时间。图2所示为二极管开通电流的波形，电流上升率用di_F/dt表示。在正向恢复时间内，正在开通的二极管具有比稳态大的多的峰值电压U_FF。当正向电往上升率超过50A/µs时，在某些高压二极管中具有较高的瞬态压降。这一概念在缓冲电路中的快速应用时显得非常重要。
开通时二极管呈现的电感效应，除了器件内部机理的原因之外，还与引线长度、器件封装采用的磁性材料等因素有关。电感效应对电流的变化率最敏感，因此开通时二极管电流的上升率di/dt越大，峰值电压U_FF就越高，正向恢复时间也越长。

图1 管压降随时间变化的曲线

图2 二极管导通电流波形

关断特性
所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都将以少子的形式储存电荷。少子注入是电导调制的机理，它导致正向压降(VF)的降低，从这个意义上讲，它是有利的。但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时，由于导通时在PN结区有大量少致载流子存贮起来，故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间(trr)。值得注意的是在未恢复阻断能力之前，二极管相当于处于短路状态。
用软化系致S(Softness factor)来描述反向恢复电流由最大值IRM消失的速率：

（1）

反向恢复电流的下降速度di/dt是一个重要的参数。若di/dt过大，由于线路存在电感L，则会使反向峰值电压URM过高，有时出现强烈振荡，致使二极管损坏，可以用软特性和硬特性的概念来表示di/dt对反向特性的影响。软化系数S还可以表示为：

(2)

通过上式可以预测反向峰值电压的幅值：

（3）

其中，L为电路总电感，URM即为二极管反向恢复时施加于有源器件的峰值电压，其值一定要小于有源器件的电压额定值，因此用di(rec)/dt表示软度因子更有实用意义。
耗尽储存电荷所需的总的时间定义为反向恢复时间trr，作为开关速度的量度，它是选用二极管时的一个非常重要的参数，一般用途的二极管trr为25µs左右，使用在整流以及频率低于1kHz以下的电路中是可以的，但若用于斩波波和逆变电路中，必须选用trr在5µs以下的快速恢复二极管，在一些吸收电路中要求快开通和软恢复二极管。
由软度因子定义可知，它其实就是反映二极管在反向恢复的tb过程中基区少子因复合而消失的时间长短。所以，软度因子与少子寿命控制方法、基区宽度和扩散浓度分布、元件结构及结构参数等有密切的关系。在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷，并驻留更长的时间将提高软度因子。

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