二極管反向恢復(fù)時(shí)間特性與作用詳解及注意事項(xiàng)

反向恢復(fù)時(shí)間概述

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(kāi)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(kāi)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(duì)正向及反向電流表現(xiàn)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(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(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 稱為儲(chǔ)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(guò)程稱為反向恢復(fù)過(guò)程。

這實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)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(xù)脈沖下當(dāng)做開(kāi)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(kāi)關(guān)作用。因此了解二極管反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)正確選取管子和合理設(shè)計(jì)電路至關(guān)重要。

開(kāi)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(chǔ)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(guò)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(guò)程，實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)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(chǔ)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(guò)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(kāi)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(kāi)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)間及參數(shù)

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(kāi)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(kāi)通過(guò)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(kāi)通過(guò)程掩蓋了二極管的反向恢復(fù)特性，因而對(duì)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(kāi)關(guān)速度提高，特別是Power M0SFET、高速IGBT的出現(xiàn)，不僅開(kāi)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(dòng)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(kāi)通過(guò)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(kāi)通過(guò)程結(jié)束后二極管的反向恢復(fù)過(guò)程仍然存在，使二極管的反向恢復(fù)特性完全暴露出來(lái)，高的IRRM、di/dt使開(kāi)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(duì)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(kāi)關(guān)過(guò)程中反向恢復(fù)電流對(duì)開(kāi)關(guān)電流的沖擊，減小開(kāi)關(guān)過(guò)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(zhǎng)，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(jiàn)，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(cè)試小信號(hào)開(kāi)關(guān)二極管的測(cè)試條件IF=IR=10ma為測(cè)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(cè)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(cè)試條件則相對(duì)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(cè)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(cè)中給的相對(duì)符合測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)程中，而開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(guò)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(huì)選擇高的di/dt，但會(huì)引起高的IRRM、振鈴、電壓過(guò)沖和高的EMI并增加開(kāi)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(guò)沖和由此產(chǎn)生的損耗，di/dt的降低是通過(guò)降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通速度實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(chǎng)合批量使用。

二極管反向恢復(fù)時(shí)間注意事宜

二極管反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的開(kāi)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)的速度。

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