快恢复二极管的开关特性

  在开关电源中，除了工频整流器外，快恢复二极管大多工作在高频开关状态，因此二极管的动态开关特性就十分重要，其中主要是正向特性和反向恢复特性。使用中要求二极管正向瞬态压降小。反向恢复时间短、反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。
 
  1 快恢复二极管的开关特性
  (1)开通特性
  快恢复二极管的开通有一个过程，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，并具有很小的管压降，这就是说，二极管开通初期不能立即响应正向电流的变化。图1给出了二极管开通特性的曲线。图1a所示为管压降随时间变化的曲线，其中Ufp为正向峰值电压，tfr为正向恢复时间，图1b所示为二极管开通电流的波形，电流上升率用diF/dt表示，由图可知，正在开通的二极管具有比稳态大得多的峰值电压Ufp。

  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、器件封装采用的材料和外电路等因素有关。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diF/dt越大，峰值电压Ufp就越高，正向恢复时间也越长。与其他半导体器件相似，结温的增加使开通特性变差，也即随着结温的增加，正向恢复时间1trr和峰值电压Ufp也增加。
 
  (2)关断特性
  正在导通的二极管突然加一反向电压时，反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，在未恢复阻断能力之前，二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特性。全部恢复过程如图2所示，图中IRM为最大反向恢复电流，Q1、Q2为反向恢复电荷，trr为反向恢复时间，这几个参数在电路设计中是最重要的参数。下面讨论反向恢复过程。   由图2可知，从时间t=tf开始，给已经导通的二极管加以反向电压UR，反向恢复电流irr开始流通，原来导通的正向电流IF就以dlF/dt的速率减小，这个电流变化率由反向电压和开关电路中的电感决定，即有：   当t=t0二极管中的电流等于零。在这之前二极管处于正值置，电流为正向电流。在t0时刻后，正向压降稍有下降，但仍为正偏置，电流开始反向。
  在t=t1时刻，电荷Q1已被抽走，反向电流已达最大值IRM，二极管开始恢复阻断能力。在这一时刻之前，电源电压由线路电感上电压来平衡，但在电流最大值IRM时，diF/dt=0，电感电压等于零，电源电压由二极管上电压来平衡。
  在t>t1之后，反向恢复电流迅速下降，其下降速率dirr/dt较高，在线路电感中产生较高的电势。这个电势与电源电压一同加在二极管上，所以二极管承受很高的反向电压URM。
  在t=t2之后，dirr/dt逐渐减小为零，电感电压等于零，二极管承受电源电压UR。这时电荷Q2也被抽空，二极管处于承受静态反向电压阶段。
  影响反向恢复过程长短的主要因素是反向恢复电荷，即在反向恢复过程中抽
走的总电荷量QR，QR可由下式求出：   QR是一个很重要的参数。若QR少，则反向恢复时同trr短，这是快恢复二极管与普通整流二极管的根本区别之处。
  反向恢复电荷QR与二极管正向电流，diF/dt以及结温有关。正向电流和电流变化率増加，QR増加。因为结温増加之后，载流子寿命增加，所以QR也増加。
  二极管反向恢复期间，在二极管内消耗的能量由下式决定：   式中前一项由电荷QR决定：后一项由电感L中的贮能决定。由此看来，反向恢复损耗与二极管的反向恢复电荷密切相关。为了减小损耗，应该选用QR小的二极管。QR小，反向恢复时间trr=t2-ta也小。trr是快恢复二极管的一个动态参数，在使用中应注意选择。
  反向恢复电流的下降速度dirr/dt也是一个重要参数。若dirr/di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。可用软特性和硬特性的概念来表示dirr/dt对反向特性的影响。特性的软硬度用“软因子”来衡量，软因子Sr的定义为： 式中t2，由电流irr在IRM/4处的投影来决定，如图3所示。软因子也有用URM/UR的大小或者IRM点两侧的斜率来表示的。   图3a表示Sr=0.3的硬特性器件的电流曲线，图3b表示Sr=0.8的软特性器件的电流曲线。实际应用时要选用Sr大的二极管。若Sr大，二极管承受的反压峰值URM则小。
  目前有PN和PIN型两种结构的快速恢复整流二极管。在同等容量下PIN型结构具有开通压降低，反向快速恢复性能好的优点。不足之处是PIN型二极管具有硬恢复特性，而PN型结构则具有软的恢复特性。实际使用时可根据应用条件而进行选择。
 



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