快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間的定義及原理

  隨著電力電子技術(shù)向高頻化、模塊化方向發(fā)展，快恢復(fù)二極管是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管?？旎謴?fù)二極管作為一種高頻器件也得到蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已廣泛用于各種高頻逆變裝置和斬波調(diào)速裝置內(nèi)，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。起到高頻整流、續(xù)流、吸收、隔離和箝位的作用。
  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(duì)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), 正向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。經(jīng)過ts后, 正向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf 時(shí)間, 二極管的電流才成為(-I0) ,。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, 以上過程稱為反向恢復(fù)過程。
  反向恢復(fù)過程，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，若有一頻率為T1的連續(xù)PWM波通過二極管，當(dāng)Trr<T1時(shí)，二極管方反向時(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)二極管的最主要特點(diǎn)是它的反向恢復(fù)時(shí)間（trr)在幾百納秒（ns)以下，超快恢復(fù)二極管甚至能達(dá)到幾十納秒。所謂反向恢復(fù)時(shí)間（trr)，它的定義是：電流通過零點(diǎn)由正向轉(zhuǎn)換成反向，再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定低值的時(shí)間間隔。它是衡量高頻續(xù)流及整流器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)。
 
  1. 反向恢復(fù)時(shí)間
  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)間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。
 
  1.1 trr與If和di/dt的關(guān)系
  trr與If和di/dt的關(guān)系如圖1所示：

  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(cè)試小信號(hào)開關(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。
 
  1.2 反向恢復(fù)時(shí)間與反向電壓的關(guān)系   圖中IF為正向電流，IRM為最大反向恢復(fù)電流，Irr為反向恢復(fù)電流，通常規(guī)定Irr=0.1IRM。當(dāng)t≤t0時(shí)，正向電流I=IF。當(dāng)t＞t0時(shí)，由于整流管上的正向電壓突然變成反向電壓，因此，正向電流迅速減小，在t=t1時(shí)刻，I=0。然后整流管上的反向電流IR逐漸增大；在t=t2時(shí)刻達(dá)到最大反向恢復(fù)電流IRM值。此后受正向電壓的作用，反向電流逐漸減小，并且在t=t3時(shí)刻達(dá)到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反向恢復(fù)過程與電容器放電過程有相似之處。由t1到t3的時(shí)間間隔即為反向恢復(fù)時(shí)間trr。
  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)。
 
  1.3 反向恢復(fù)峰值電流I_RRM
  反向恢復(fù)峰值電流I_RRM隨-di/dt增加，如圖3，因在不同-di/dt的測(cè)試條件下，I_RRM的幅值是不同的。   I_RRM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I_RRM是不能相比較的。
 
  1.4 結(jié)溫T的影響
  反向恢復(fù)時(shí)間trr隨工作結(jié)溫上升，如圖4所示，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Qrr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。  
  1.5 反向恢復(fù)損耗
  快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)損耗與二極管的反向恢復(fù)引起的開關(guān)管的開通損耗如圖5所示。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)，在二極管的反向恢復(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。  
  1.6  I_RRM、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(huì)選擇高的di/dt，但會(huì)引起高的I_RRM、振鈴、電壓過沖和高的EMI并增加開關(guān)損耗，如圖6所示：   若適當(dāng)減小di/dt可降低I_RRM、EMI，消除振零和電壓過沖和由此產(chǎn)生的損耗，如圖7所示。而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I_RRM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(chǎng)合批量使用。使整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、簡化、體積縮小、重量減輕、節(jié)電、節(jié)材、可靠性提高，快恢復(fù)二極管模塊已成為高頻逆變電路和斬波電路不可缺少的關(guān)健配套器件，隨著我國政府節(jié)能政策的進(jìn)一步落實(shí)，快恢復(fù)二極管模塊必將獲得更大的發(fā)展。
 
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