二極管反向恢復(fù)時(shí)間特性與作用詳解及注意事項(xiàng)-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-10-17
二極管反向恢復(fù)時(shí)間是如何體現(xiàn)的，下面先了解反向恢復(fù)時(shí)間，現(xiàn)代脈沖電路中大量使用晶體管或二極管作為開關(guān), 或者使用主要是由它們構(gòu)成的邏輯集成電路。而作為開關(guān)應(yīng)用的二極管主要是利用了它的通(電阻很小)、斷(電阻很大) 特性, 即二極管對正向及反向電流表現(xiàn)出的開關(guān)作用。
二極管和一般開關(guān)的不同在于,“開”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開”態(tài)有微小的壓降Vf,“關(guān)”態(tài)有微小的電流I0。當(dāng)電壓由正向變?yōu)榉聪驎r(shí), 電流并不立刻成為(-I0) , 而是在一段時(shí)間ts 內(nèi), 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。
經(jīng)過ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf 時(shí)間, 二極管的電流才成為(-I0) , 如圖1 示。ts 稱為儲存時(shí)間,tf 稱為下降時(shí)間。tr=ts+tf 稱為反向恢復(fù)時(shí)間, 以上過程稱為反向恢復(fù)過程。
這實(shí)際上是由電荷存儲效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導(dǎo)通, 起不到開關(guān)作用。因此了解二極管反向恢復(fù)時(shí)間對正確選取管子和合理設(shè)計(jì)電路至關(guān)重要。
開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，二極管或整流器在二極管阻斷反向電流之前需要首先釋放存儲的電荷，這個(gè)放電時(shí)間被稱為反向恢復(fù)時(shí)間,在此期間電流反向流過二極管。即從正向?qū)娏鳛?時(shí)到進(jìn)入完全截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間。
二極管反向恢復(fù)時(shí)間的反向恢復(fù)過程，實(shí)際上是由電荷存儲效應(yīng)引起的，二極管反向恢復(fù)時(shí)間就是正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)存儲的電荷耗盡所需要的時(shí)間。假設(shè)為Trr，若有一周期為T1的連續(xù)PWM波通過二極管，當(dāng)Trr>T1時(shí)，二極管反方向時(shí)就不能阻斷此PWM波，起不到開關(guān)作用。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間由Datasheet提供。反向恢復(fù)時(shí)間快使二極管在導(dǎo)通和截止之間迅速轉(zhuǎn)換，可獲得較高的開關(guān)速度，提高了器件的使用頻率并改善了波形。
快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間特性決定著功率變換器的性能，在雙極功率晶體管的電流下降時(shí)間大于1us（開通時(shí)間約100ns）時(shí)期，二極管的反向恢復(fù)在雙極功率晶體管的開通過程中完成，而且雙極功率晶體管達(dá)到額定集電極電流的1/2-2/3左右后隨著Ic上升Hfe急劇下降，限制了二極管的反向恢復(fù)電流的峰值，在某種意義上，也限剬了di/dt，雙極功率晶體管的開通過程掩蓋了二極管的反向恢復(fù)特性，因而對二極管的反向恢復(fù)僅僅是反向恢復(fù)時(shí)間提出要求。
隨著功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度提高，特別是Power M0SFET、高速IGBT的出現(xiàn)，不僅開通速度快（可以在數(shù)十納秒內(nèi)將MOSFET徹底導(dǎo)通或關(guān)斷），而且在額定驅(qū)動條件下，其漏極/集電極電流可以達(dá)到額定值的5-10倍，使MOS或IGBT在開通過程中產(chǎn)生高的反向恢復(fù)峰值電流IRRM，同時(shí)M0S或IGBT在開通過程結(jié)束后二極管的反向恢復(fù)過程仍然存在，使二極管的反向恢復(fù)特性完全暴露出來，高的IRRM、di/dt使開關(guān)管和快速二極管本身受到高峰值電流沖擊并產(chǎn)生較高的EMT。
因而對二極管的反向恢復(fù)特性不僅僅限于反向恢復(fù)時(shí)間短，而且要求反向恢復(fù)電流峰值盡可能低，反向恢復(fù)電流的下降，上升的速率盡可能低，即超快、超軟以降低開關(guān)過程中反向恢復(fù)電流對開關(guān)電流的沖擊，減小開關(guān)過程的EMI。
1、反向恢復(fù)參數(shù)與應(yīng)用條件
一般的超快速二極管的反向時(shí)間定義為小于100ns，高耐壓超快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)同trr比低耐壓的長，如耐壓200V以下的超快恢復(fù)二極管的典型反向恢復(fù)時(shí)間在35ns以下，耐壓600V的典型反向恢復(fù)時(shí)間約75ns，耐壓1000V的超快恢復(fù)二極管的典型反向恢復(fù)時(shí)間約100-160 ns。各生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品的反向恢復(fù)特性（主要是反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)峰值電流IRRM）是不同的。
A、trr與If和di/dt的關(guān)系
trr與If和di/dt的關(guān)系如下圖所示：
rr與If和-di/dt的關(guān)系
從圖中可見，隨著二極管的正向電流lf的增加反向恢復(fù)時(shí)間trr隨著增加：di/dt的增加，反向恢復(fù)時(shí)間trr減小。因此，以測試小信號開關(guān)二極管的測試條件IF=IR=10ma為測試條件的反向恢復(fù)時(shí)間不能如實(shí)表現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用情況：以固定正向電流（如1A）為測試條件也不能在實(shí)際應(yīng)用中得到客觀再現(xiàn)；不同電流檔次以其額定正向電流或其1/2為測試條件則相對客觀。
B、二極管反向恢復(fù)時(shí)間與反向電壓的關(guān)系
二極管反向恢復(fù)時(shí)間隨反向電壓增加，如果600V超快恢復(fù)二極管在反向電壓為30V時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間為35ns，向反向電壓為350V時(shí)其反向恢復(fù)時(shí)間增加，因此，僅從產(chǎn)品選擇指南中按所給的反向恢復(fù)時(shí)間選用快速二極管，如反向電壓的測試條件不同，將導(dǎo)致實(shí)際的反向恢復(fù)時(shí)間的不同，應(yīng)盡可能的參照數(shù)據(jù)手冊中給的相對符合測試條件下的反向恢復(fù)時(shí)間為依據(jù)。
C、反向恢復(fù)峰值電流IRRM
反向恢復(fù)峰值電流IRRM隨-di/dt增加，因在不同-di/dt的測試條件下，IRRM的幅值是不同的。
IRRM隨反向工作電壓上升，因此額定電壓為1000V的快速二極管，在相同的-di/dt條件下，但反向工作電壓不同時(shí)（如500V與1000V）則IRRMM是不能相比較的。
D、結(jié)溫T的影響
反向恢復(fù)時(shí)間trr隨工作結(jié)溫上升，結(jié)溫125 時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間是結(jié)溫25時(shí)的近2倍。反向恢復(fù)峰值電流IRRM隨工作結(jié)溫上升，結(jié)溫125時(shí)的反向恢復(fù)峰值電流是結(jié)溫25時(shí)的近1.5倍。反向恢復(fù)電荷Orr隨工作結(jié)溫上升，結(jié)溫125時(shí)的反向恢復(fù)電荷是結(jié)濕25時(shí)的近3倍以上。
E、反向恢復(fù)損耗
二極管的反向恢復(fù)損耗是在反向恢復(fù)過程的后半部分t1-t2期間，其損耗的大小與IRRM和t1-t2的大小有關(guān)，在人極管的反向恢復(fù)過程中，而開關(guān)管的開通損耗始終存在。很明顯，快速反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)損耗與開關(guān)管的開通損耗隨IRRM和反向恢復(fù)時(shí)時(shí)間增加。
F、IRRM、反向恢復(fù)損耗及EMI的減小
在實(shí)際應(yīng)用中快速反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)過程將影響電路的性能，為追求低的反向恢復(fù)時(shí)間，可能會選擇高的di/dt，但會引起高的IRRM、振鈴、電壓過沖和高的EMI并增加開關(guān)損耗。
若適當(dāng)減小di/dt可降低IRRM、EMI，消除振零和電壓過沖和由此產(chǎn)生的損耗，di/dt的降低是通過降低開關(guān)管的開通速度實(shí)現(xiàn)，開關(guān)管的開關(guān)損耗將增加，因此，改變di/dt不能從本質(zhì)上解決快速反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)存在的全部問題，必須改用性能更好的快速反向恢復(fù)二極管，即IRRM低、trr短、反向恢復(fù)特性軟，通過各種快速反向恢復(fù)二極管的數(shù)據(jù)，可以找出性能好的快速反向恢復(fù)二極管。
快恢復(fù)二極管模塊已廣泛用于高頻電力電子電路，已成為主要高頻器件之一，它的使用技術(shù)比較成熟，快恢復(fù)二極管模塊已在高頻逆變焊機(jī)，大功率開關(guān)電源，高頻逆變型電鍍電源，高頻快速充電器以及高頻調(diào)速裝置等場合批量使用。
二極管反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的開關(guān)速度，這一點(diǎn)尤其需要注意。
（1）如果脈沖持續(xù)時(shí)間比二極管反向恢復(fù)時(shí)間長得多，這時(shí)負(fù)脈沖能使二極管徹底關(guān)斷，起到良好的開關(guān)作用；
（2） 如果脈沖持續(xù)時(shí)間和二極管的反向恢復(fù)時(shí)間差不多甚至更短的話，這時(shí)由于反向恢復(fù)過程的影響，負(fù)脈沖不能使二極管關(guān)斷。所以要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時(shí)間不能太短，也就意味著脈沖的重復(fù)頻率不能太高，這就限制了開關(guān)的速度。
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