二极管反向恢复过程全解及反向恢复时间定义

反向恢复时间

二(er)(er)极(ji)(ji)管反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)(xiang)恢复过程，现(xian)代脉冲电(dian)(dian)(dian)(dian)路中大量使用(yong)晶体管或二(er)(er)极(ji)(ji)管作为(wei)开(kai)(kai)关(guan), 或者(zhe)使用(yong)主要是(shi)由它们构成的(de)(de)逻辑集成电(dian)(dian)(dian)(dian)路。而作为(wei)开(kai)(kai)关(guan)应(ying)用(yong)的(de)(de)二(er)(er)极(ji)(ji)管主要是(shi)利用(yong)了它的(de)(de)通(电(dian)(dian)(dian)(dian)阻很(hen)小(xiao))、断(duan)(电(dian)(dian)(dian)(dian)阻很(hen)大) 特性, 即二(er)(er)极(ji)(ji)管对正向(xiang)(xiang)(xiang)及反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)流表(biao)现(xian)出(chu)的(de)(de)开(kai)(kai)关(guan)作用(yong)。二(er)(er)极(ji)(ji)管和一般开(kai)(kai)关(guan)的(de)(de)不同(tong)在于,“开(kai)(kai)”与“关(guan)”由所(suo)加电(dian)(dian)(dian)(dian)压的(de)(de)极(ji)(ji)性决定, 而且(qie)“开(kai)(kai)”态有微小(xiao)的(de)(de)压降Vf,“关(guan)”态有微小(xiao)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流I0。当电(dian)(dian)(dian)(dian)压由正向(xiang)(xiang)(xiang)变为(wei)反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)(xiang)时, 电(dian)(dian)(dian)(dian)流并(bing)不立刻成为(wei)(-I0) , 而是(shi)在一段(duan)时间(jian)ts 内, 反(fan)(fan)向(xiang)(xiang)(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)流始终很(hen)大, 二(er)(er)极(ji)(ji)管并(bing)不关(guan)断(duan)。

经过ts后, 反向电流才(cai)逐渐变(bian)小, 再经过tf 时(shi)(shi)间(jian), 二极管的电流才(cai)成为(wei)(-I0) , 如图1 示。ts 称为(wei)储(chu)存时(shi)(shi)间(jian),tf 称为(wei)下降(jiang)时(shi)(shi)间(jian)。tr=ts+tf 称为(wei)反向恢复(fu)(fu)时(shi)(shi)间(jian), 以上过程称为(wei)反向恢复(fu)(fu)过程。

二极管反向恢复过程

这(zhei)实际上是(shi)(shi)由(you)电(dian)荷存储效应引起(qi)(qi)的, 反向(xiang)恢(hui)复时间就是(shi)(shi)存储电(dian)荷耗(hao)尽(jin)所需要(yao)的时间。该过程使二极(ji)(ji)管(guan)不能在(zai)快(kuai)速连续脉冲(chong)下(xia)当做开关(guan)使用。如果反向(xiang)脉冲(chong)的持续时间比tr 短(duan), 则二极(ji)(ji)管(guan)在(zai)正、反向(xiang)都(dou)可导通, 起(qi)(qi)不到开关(guan)作用。因此了解(jie)二极(ji)(ji)管(guan)反向(xiang)恢(hui)复时间对正确选取管(guan)子和合理(li)设计(ji)电(dian)路至关(guan)重要(yao)。

开关从导通状(zhuang)(zhuang)态(tai)向(xiang)截(jie)止状(zhuang)(zhuang)态(tai)转变时，二极管(guan)(guan)或整流器在二极管(guan)(guan)阻(zu)断(duan)反(fan)向(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)流之(zhi)前需要首(shou)先(xian)释(shi)放存储的电(dian)(dian)(dian)(dian)荷，这个放电(dian)(dian)(dian)(dian)时间(jian)被(bei)称为反(fan)向(xiang)恢复时间(jian),在此期间(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)流反(fan)向(xiang)流过二极管(guan)(guan)。即从正向(xiang)导通电(dian)(dian)(dian)(dian)流为0时到进(jin)入完全(quan)截(jie)止状(zhuang)(zhuang)态(tai)的时间(jian)。

反(fan)(fan)向恢复(fu)(fu)过程，实际上是由电(dian)荷存储(chu)效应(ying)引起(qi)的，反(fan)(fan)向恢复(fu)(fu)时间就是正向导通时PN结存储(chu)的电(dian)荷耗尽所(suo)需(xu)要的时间。假设为Trr，若(ruo)有一周期为T1的连续PWM波(bo)通过二极(ji)管，当Trr>T1时，二极(ji)管反(fan)(fan)方向时就不(bu)能阻断此PWM波(bo)，起(qi)不(bu)到开(kai)关作用。二极(ji)管的反(fan)(fan)向恢复(fu)(fu)时间由Datasheet提供。反(fan)(fan)向恢复(fu)(fu)时间快使二极(ji)管在导通和截止之间迅速(su)转换，可获(huo)得较高的开(kai)关速(su)度，提高了器件(jian)的使用频(pin)率并改善了波(bo)形。

二极管反向恢复过程全解

一(yi)、二极(ji)管从正向导通到截止有一(yi)个(ge)反向恢复过(guo)程(cheng)

二极管反向恢复过程

在上图所示的硅二(er)极管电(dian)路中加入(ru)一个如下图所示的输入(ru)电(dian)压。在0―t1时间内，输入(ru)为+VF，二(er)极管导通，电(dian)路中有电(dian)流(liu)流(liu)通。

二极管反向恢复过程

设VD为二极管(guan)正向压降（硅管(guan)为0.7V左右），当VF远大于VD时，VD可略去不计(ji)，则(ze)

二极管反向恢复过程

在(zai)t1时(shi)(shi)，V1突然(ran)从(cong)+VF变(bian)为-VR。在(zai)理想(xiang)情(qing)(qing)况下(xia)，二极管将立(li)刻转为截(jie)止(zhi)，电(dian)路中应只有(you)很(hen)小(xiao)的(de)反向(xiang)电(dian)流。但实际情(qing)(qing)况是(shi)，二极管并不立(li)刻截(jie)止(zhi)，而是(shi)先由正向(xiang)的(de)IF变(bian)到(dao)一(yi)个(ge)很(hen)大的(de)反向(xiang)电(dian)流IR=VR／RL，这个(ge)电(dian)流维持一(yi)段时(shi)(shi)间tS后才开始逐(zhu)渐下(xia)降，再经过tt后，下(xia)降到(dao)一(yi)个(ge)很(hen)小(xiao)的(de)数值0.1IR，这时(shi)(shi)二极管才进人反向(xiang)截(jie)止(zhi)状态，如下(xia)图所示。

二极管反向恢复过程

通常把二(er)极(ji)管从正向导通转(zhuan)为(wei)反向截止所经过(guo)的(de)转(zhuan)换过(guo)程称(cheng)为(wei)反向恢(hui)复过(guo)程。其中tS称(cheng)为(wei)存储(chu)时(shi)间(jian)，tt称(cheng)为(wei)渡越时(shi)间(jian)，tre=ts+tt称(cheng)为(wei)反向恢(hui)复时(shi)间(jian)。由于反向恢(hui)复时(shi)间(jian)的(de)存在，使二(er)极(ji)管的(de)开(kai)关(guan)速(su)度受到限(xian)制。

二、产生反向恢复过程的原因—电荷存储效应

产(chan)生上述现象(xiang)的原因是由于二极管外加(jia)正向电(dian)压(ya)VF时(shi)(shi)，载流子(zi)不断(duan)扩(kuo)散而存(cun)储的结(jie)果。当(dang)外加(jia)正向电(dian)压(ya)时(shi)(shi)Ｐ区空(kong)穴向Ｎ区扩(kuo)散，Ｎ区电(dian)子(zi)向Ｐ区扩(kuo)散，这样，不仅(jin)使(shi)势(shi)垒区（耗尽区）变窄(zhai)，而且(qie)使(shi)载流子(zi)有相当(dang)数量的存(cun)储，在(zai)Ｐ区内存(cun)储了电(dian)子(zi)，而在(zai)Ｎ区内存(cun)储了空(kong)穴，它们都(dou)是非(fei)平衡少数载流于，如(ru)下(xia)图所示。

二极管反向恢复过程

空穴由Ｐ区扩(kuo)(kuo)散(san)到(dao)Ｎ区后，并不是立(li)即与Ｎ区中(zhong)的(de)电子(zi)(zi)(zi)复(fu)合(he)而消失(shi)，而是在一(yi)定(ding)的(de)路(lu)程LP（扩(kuo)(kuo)散(san)长(zhang)度）内，一(yi)方面(mian)继续扩(kuo)(kuo)散(san)，一(yi)方面(mian)与电子(zi)(zi)(zi)复(fu)合(he)消失(shi)，这样(yang)就会在LP范围内存储一(yi)定(ding)数量的(de)空穴，并建(jian)立(li)起一(yi)定(ding)空穴浓(nong)(nong)度分布(bu)，靠(kao)近结边缘的(de)浓(nong)(nong)度最(zui)大，离(li)结越(yue)远，浓(nong)(nong)度越(yue)小(xiao)。正向电流越(yue)大，存储的(de)空穴数目越(yue)多，浓(nong)(nong)度分布(bu)的(de)梯度也(ye)越(yue)大。电子(zi)(zi)(zi)扩(kuo)(kuo)散(san)到(dao)Ｐ区的(de)情况也(ye)类似(si)，下图为二极管中(zhong)存储电荷的(de)分布(bu)。

二极管反向恢复过程

我们把正向导通时，非平衡(heng)少数载流子(zi)积累的现象叫做(zuo)电荷存储(chu)效应。

当输入电(dian)压突然(ran)由(you)+VF变为-VR时Ｐ区(qu)存储(chu)的(de)电(dian)子和Ｎ区(qu)存储(chu)的(de)空(kong)穴不会马上消失，但它们将通过(guo)下列两个(ge)途径(jing)逐渐减少：①在反向电(dian)场作(zuo)用下，Ｐ区(qu)电(dian)子被拉回(hui)Ｎ区(qu)，Ｎ区(qu)空(kong)穴被拉回(hui)Ｐ区(qu)，形成(cheng)反向漂移电(dian)流(liu)IR，如(ru)下图所示。②与多数(shu)载(zai)流(liu)子复合。

二极管反向恢复过程

在这些存储电荷(he)消(xiao)失之(zhi)前(qian)，ＰＮ结(jie)仍处于正向(xiang)偏置，即(ji)势垒区仍然(ran)很窄(zhai)，ＰＮ结(jie)的电阻仍很小(xiao)，与(yu)RL相比可以忽略，所以此时反(fan)向(xiang)电流IR=（VR＋VD）/RL。VD表示ＰＮ结(jie)两(liang)端(duan)的正向(xiang)压降，一般VR>>VD，即(ji)IR＝VR／RL。

在这段期间，IR基本上(shang)保(bao)持不变，主要(yao)由VR和RL所决(jue)定(ding)。经(jing)(jing)过时间ts后Ｐ区(qu)和Ｎ区(qu)所存储(chu)的电荷已显著减小，势垒区(qu)逐渐变宽，反向电流IR逐渐减小到正常(chang)反向饱和电流的数值，经(jing)(jing)过时间tt，二极管转为截止。

二(er)极管和一般开关的(de)不(bu)(bu)同(tong)在于,“开”与(yu)“关”由(you)所加电压的(de)极性决定, 而且“开”态(tai)有(you)微小的(de)压降(jiang)Vf,“关”态(tai)有(you)微小的(de)电流i0。当电压由(you)正向变为反向时(shi), 电流并不(bu)(bu)立刻成为(- i0) , 而是在一段时(shi)间(jian)ts 内(nei),反向电流始终很大, 二(er)极管并不(bu)(bu)关断。

经(jing)过ts后,反向电流才逐(zhu)渐变小, 再经(jing)过tf 时(shi)(shi)间,二极管的电流才成为(wei)(wei)(wei)(- i0),ts称(cheng)为(wei)(wei)(wei)储存时(shi)(shi)间,tf 称(cheng)为(wei)(wei)(wei)下降(jiang)时(shi)(shi)间。tr=ts+tf称(cheng)为(wei)(wei)(wei)反向恢(hui)复时(shi)(shi)间, 以上过程称(cheng)为(wei)(wei)(wei)反向恢(hui)复过程。

这实际上是(shi)由电(dian)(dian)荷存储(chu)效应(ying)引(yin)起的, 反向(xiang)(xiang)(xiang)恢复(fu)时间就是(shi)存储(chu)电(dian)(dian)荷耗(hao)尽所需要的时间。该过程使二极管(guan)不(bu)能在(zai)快速连续脉冲下当做开(kai)(kai)关使用(yong)(yong)。如果(guo)反向(xiang)(xiang)(xiang)脉冲的持续时间比tr 短(duan), 则二极管(guan)在(zai)正、反向(xiang)(xiang)(xiang)都可导通, 起不(bu)到开(kai)(kai)关作(zuo)用(yong)(yong)。

二极管反向恢复过程