半导体器件基础大功率快速软恢复二极管概述2.1.1开通特性二极管.DOC

大功率快速软恢复二极管概述 2.1.1 开通特性 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，二极管开通初期呈现出明显的“电感效应”，不能立即响应正向电流的变化。图1所示为管压降随时间变化的曲线，其中VF P为正向峰值电压，tf,为 正向恢复时间。图2所示为二极管开通电流的波形，电流上升率用diF/dt表示。在正向恢复时间内，正在开通的二极管具有比稳态大得多的峰值电压V FP。当正向电流上升率超过50A/Ks时，在某些高压二极管中具有较高的瞬态压降。这一概念在缓冲电路的快速应用中显得非常重要。 图1 管压降随时间变化的曲线 图2 二极管导通电流波形 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、器件封装采用的磁性材料等因素有关。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di,/dt越大，峰值电压V FP就越高，正向恢复时间也越长。 2.1.2 关断特性 所有的pn结二极管，在传导正向电流时，都将以少子的形式储存电荷。少子注入是电导调制的机理，它导致正向压降(VF)的降低，从这个意义上讲，它是有利的。但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时，由于导通时在pn结区有大量少数载流子存贮起来，故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间(trr)。 值得注意的是在未恢复阻断能力之前，二极管相当于处于短路状态。全部恢复过程如图3所示。 图3 反向恢复过程中电流和电压波形 其中 ，IRM为最大反向恢复电流，VRM为最大反向恢复电压，QR为反向恢复电荷，trr为反向恢复时间，这几个参数是器件设计中最重要的参数。 从 时 间 t二t，开始，已经导通的二极管加反向电压VR，原来导通的正向电流IF以diF/dt的速率减小，直到t。时正向电流为0。当t=t。时，二极管中的电流等于零。在这之前二极管处于正向偏置，电流为正向电流。在t。时刻后，正向压降稍有下降，但仍处于正向偏置，电流开始反向流通，形成反向恢复电流1r,o 从t0到 t1是清除过剩少数载流子的时间，称为少数载流子存储时间 ta，在这段时间中，二极管反向电流（irr）从零上升至其峰值（IRP）。二极管基区中的空穴由阳极侧被抽出，电子由阴极侧被抽出，表现为反向电流。当二极管电流换向时，一部分内部储存电荷通过反向抽取被快速扫出，剩余的储存电荷则通过复合以及在二极管和有关电路元件中的反向电流环流而减小。ta 期间流通的电流可能相当大，在普通二极管中尤其如此，但此时pn结电压降略有一些减小但仍是正向的，外加反向电压由电感 L 承受。因此，由于二极管上的低电压，ta 期间二极管上功率损耗为最小。然而，开关器件中的功率耗散可能很高，这是因为在其承受电路满电压的同时，还承载了全部的二极管反向电流。总之，反向电流较低的二极管可使功率开关在较低的温度下工作。 当 t= t ,时，电荷QI已被抽走，反向电流已达到最大值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，电源电压由二极管来平衡。此时，二极管电压包括其内部pn结电压和附加电阻上的电压。 在 t t 1之后，因为少数载流子已不充分，空间电荷区少数载流子浓度p.0, nP。已清除为零，反向恢复电流迅速下降，下降速率dirr/dt较高，在线路电感中产生较高的电动势，这个电势与电源电压一起加在二极管上，所以二极管承受很高的反向电压VRM。从t1到t:这段时间称为复合时间tb，即反向电流irr从 其峰值(IRM)降至零所需的时间。由于tb期间，在二极管承受高压的同时亦有大的反向电流流通，所以二极管内将有显著的功率耗散。为了减小t、期间的功率损耗，应采用tb最短的二极管。从to到t:这段时间称为反向恢复时间trr, t :由电流在O.9I RM与O.25 -IRM处的连线在时间轴上的交点决定。 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VR。这时电荷Q:也被复合完。二极管处于承受静态反向电压阶段。 .用 软 化 系数S来描述反向恢复电流: 反向恢复电流的下降速度dtrrldt是一个重要的参数。若dirr/dt过大，由于线路存在电感L,会使反向峰值电压VRM过高，有时出现强烈振荡，则致使二极管损坏，可以用软特性和硬特性的概念来表示dirr/dt对反向特性的影响。软化系数S还可以表示为: 通过上式可以预测反向峰值电压的幅值: 其中 ，L为电路总电感，VR M即为二极管反向恢复时施加于有源器件的峰