二極管反向恢復過(guò)程全解及反向恢復時(shí)間定義

反向恢復時(shí)間

二極管反向恢復過(guò)程，現代脈沖電路中大量使用晶體管或二極管作為開(kāi)關(guān), 或者使用主要是由它們構成的邏輯集成電路。而作為開(kāi)關(guān)應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出的開(kāi)關(guān)作用。二極管和一般開(kāi)關(guān)的不同在于,“開(kāi)”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開(kāi)”態(tài)有微小的壓降Vf,“關(guān)”態(tài)有微小的電流I0。當電壓由正向變?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, 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。

經(jīng)過(guò)ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過(guò)tf 時(shí)間, 二極管的電流才成為(-I0) , 如圖1 示。ts 稱(chēng)為儲存時(shí)間,tf 稱(chēng)為下降時(shí)間。tr=ts+tf 稱(chēng)為反向恢復時(shí)間, 以上過(guò)程稱(chēng)為反向恢復過(guò)程。

這實(shí)際上是由電荷存儲效應引起的, 反向恢復時(shí)間就是存儲電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過(guò)程使二極管不能在快速連續脈沖下當做開(kāi)關(guān)使用。如果反向脈沖的持續時(shí)間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導通, 起不到開(kāi)關(guān)作用。因此了解二極管反向恢復時(shí)間對正確選取管子和合理設計電路至關(guān)重要。

開(kāi)關(guān)從導通狀態(tài)向截止狀態(tài)轉變時(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(chēng)為反向恢復時(shí)間,在此期間電流反向流過(guò)二極管。即從正向導通電流為0時(shí)到進(jìn)入完全截止狀態(tài)的時(shí)間。

反向恢復過(guò)程，實(shí)際上是由電荷存儲效應引起的，反向恢復時(shí)間就是正向導通時(shí)PN結存儲的電荷耗盡所需要的時(shí)間。假設為T(mén)rr，若有一周期為T(mén)1的連續PWM波通過(guò)二極管，當Trr>T1時(shí)，二極管反方向時(shí)就不能阻斷此PWM波，起不到開(kāi)關(guān)作用。二極管的反向恢復時(shí)間由Datasheet提供。反向恢復時(shí)間快使二極管在導通和截止之間迅速轉換，可獲得較高的開(kāi)關(guān)速度，提高了器件的使用頻率并改善了波形。

二極管反向恢復過(guò)程全解

一、二極管從正向導通到截止有一個(gè)反向恢復過(guò)程

在上圖所示的硅二極管電路中加入一個(gè)如下圖所示的輸入電壓。在0―t1時(shí)間內，輸入為+VF，二極管導通，電路中有電流流通。

設VD為二極管正向壓降（硅管為0.7V左右），當VF遠大于VD時(shí)，VD可略去不計，則

在t1時(shí)，V1突然從+VF變?yōu)?VR。在理想情況下，二極管將立刻轉為截止，電路中應只有很小的反向電流。但實(shí)際情況是，二極管并不立刻截止，而是先由正向的IF變到一個(gè)很大的反向電流IR=VR／RL，這個(gè)電流維持一段時(shí)間tS后才開(kāi)始逐漸下降，再經(jīng)過(guò)tt后，下降到一個(gè)很小的數值0.1IR，這時(shí)二極管才進(jìn)人反向截止狀態(tài)，如下圖所示。

通常把二極管從正向導通轉為反向截止所經(jīng)過(guò)的轉換過(guò)程稱(chēng)為反向恢復過(guò)程。其中tS稱(chēng)為存儲時(shí)間，tt稱(chēng)為渡越時(shí)間，tre=ts+tt稱(chēng)為反向恢復時(shí)間。由于反向恢復時(shí)間的存在，使二極管的開(kāi)關(guān)速度受到限制。

二、產(chǎn)生反向恢復過(guò)程的原因—電荷存儲效應

產(chǎn)生上述現象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時(shí)，載流子不斷擴散而存儲的結果。當外加正向電壓時(shí)Ｐ區空穴向Ｎ區擴散，Ｎ區電子向Ｐ區擴散，這樣，不僅使勢壘區（耗盡區）變窄，而且使載流子有相當數量的存儲，在Ｐ區內存儲了電子，而在Ｎ區內存儲了空穴，它們都是非平衡少數載流于，如下圖所示。

空穴由Ｐ區擴散到Ｎ區后，并不是立即與Ｎ區中的電子復合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長(cháng)度）內，一方面繼續擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會(huì )在LP范圍內存儲一定數量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠，濃度越小。正向電流越大，存儲的空穴數目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區的情況也類(lèi)似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。

我們把正向導通時(shí)，非平衡少數載流子積累的現象叫做電荷存儲效應。

當輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)Ｐ區存儲的電子和Ｎ區存儲的空穴不會(huì )馬上消失，但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少：①在反向電場(chǎng)作用下，Ｐ區電子被拉回Ｎ區，Ｎ區空穴被拉回Ｐ區，形成反向漂移電流IR，如下圖所示。②與多數載流子復合。

在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結仍處于正向偏置，即勢壘區仍然很窄，ＰＮ結的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時(shí)反向電流IR=（VR＋VD）/RL。VD表示ＰＮ結兩端的正向壓降，一般VR>>VD，即IR＝VR／RL。

在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后Ｐ區和Ｎ區所存儲的電荷已顯著(zhù)減小，勢壘區逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數值，經(jīng)過(guò)時(shí)間tt，二極管轉為截止。

二極管和一般開(kāi)關(guān)的不同在于,“開(kāi)”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開(kāi)”態(tài)有微小的壓降Vf,“關(guān)”態(tài)有微小的電流i0。當電壓由正向變?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,反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。

經(jīng)過(guò)ts后,反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過(guò)tf 時(shí)間,二極管的電流才成為(- i0),ts稱(chēng)為儲存時(shí)間,tf 稱(chēng)為下降時(shí)間。tr=ts+tf稱(chēng)為反向恢復時(shí)間, 以上過(guò)程稱(chēng)為反向恢復過(guò)程。

這實(shí)際上是由電荷存儲效應引起的, 反向恢復時(shí)間就是存儲電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過(guò)程使二極管不能在快速連續脈沖下當做開(kāi)關(guān)使用。如果反向脈沖的持續時(shí)間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導通, 起不到開(kāi)關(guān)作用。

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