二极管反向恢复特性和机理

前言

在电子电路中，二极管是最常用的基础电子元器件之一，在电力电子电路中，二极管与开关器件形影相随，并且在很多情况下，二极管的数量要多于开关器件，可见其重要性。 其中与开关器件匹配使用的大功率二极管要求最为特殊，这种二极管通常被称作“Freewheeling Diode”也就是我们常说的续流二极管(FWD).下图是最基本的IGBT直流变换器电路，其中VD1~VD4为续流二极管。

IGBT直流变换器中的FWD

适当的选择续流二极管的特性，可以显著地减小开关器件、二极管和其他许多电路元件的功率损耗。 还可以减小由续流二极管所引起的电压尖峰、射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI),从而尽量减小甚至去掉吸收电路。 因此续流二极管的特性对于开关器件的使用十分重要。

二极管反向恢复特性和机理

二极管的反向恢复特性

反向恢复波形

图中的符号意义如下：

IFM:二极管通态峰值电压

-diF/dt:正向通态电流下降率

IRM：反向峰值电流

VFM：正向通态电压

VR：反向电压

VRM：反向峰值电压

ta:存储时间

tb:复合时间

trr:反向恢复时间

dir(REC)/dt:反向恢复di/dt

Qrr:反向恢复电荷

S：反向恢复软度

二极管反向恢复机理

所有的pin二极管，在传导正向电流时，都将从阳极和阴极注入大量的载流子，从阳极注入的空穴载流子在基区(i区)则以少子的形式存储电荷。 少子注入使i区产生电导调制效应，使得正向通态压降很低。

但是当正处于正向导通的二极管突然外加一个反向电压时，由于i区有大量少数载流子的存储，故在实现反向关断之前需要将这些少数载流子完全抽出或者中和掉，这一过程就是我们所说的反向恢复过程，所需要的时间被定义为反向恢复时间trr。

反向恢复过程的产生原因时少数载流子的注入，只要是双极型器件，只要有少子注入，就不可避免的会有反向恢复过程。 但这一过程严重的限制了器件的高频特性，需要尽可能的减小和消除。

二极管反向恢复过程分析

下图是结合二极管反向恢复波形进行的分析，进行了分段讲解

二极管反向恢复软度

表征二极管软度的方法通常是ta与tb的比值，即软度S=tb/ta。

这种表征方法一直被广泛采用，通常是S越大越好，S越大，意味着反向恢复dir(REC)/dt越小。 dir(REC)/dt会在电路电感中产生较高地带电动势(VRM-VR),这个电势叠加于电源电压VR之上，一起加在二极管及其并联地开关器件上，我们称之为过冲电压。 dir(REC)/dt和电路电感越大，VRM越高。 这个电势不仅提高了二极管和开关器件地电压要求和成本，而且也是二极管和开关器件的一大威胁，所以反向恢复dir(REC)/dt对于电路安全设计十分重要。

VRM=VR+L* dir（REC）/dt

这里还有另外一个表征方法，反向恢复软度因子，用FRRS表示，其定义如下：

式中各参数的取值如下图，显然FRRS越大越好

可见，软度因子FRRS和软度S时统一的，但是FRRS更科学，更实用。 反向恢复时间trr和软度因子FRRS的测试条件如下：

小于10%的和200%的额定正向平均电流值；

正向电流下降率(dirr/dt)i=0;

反向电压(VR)取额定反向重复峰值电压的5%；

RC吸收电路(适用时)；

等效结温。

以上讲述二极管的反向恢复过程的重要性，同时针对整个过程的机理进行了分析。 让我们在后面的过程中慢慢地去体会这么一个看似简单实则很厉害的器件是如何发挥它的作用的。