1、正向恢复过程分析

 

外加正向电压时，P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散，势垒区（耗尽区）变窄，在P区内存储了电子，而在N区内存储了空穴，它们都是非平衡少数载流子。空穴由P区扩散到N区后，一方面继续扩散，一方面与电子复合消失，这样就会有一定的空穴分布浓度分布，靠近结边缘的浓度最大，离结越远浓度越小。

导通初期，由于势垒区电阻还未发生调制，载流子还来不及变化，导致势垒区电阻高，形成较高的VFP,并随外加电流的增大而增大，随着空穴浓度的增加，势垒区发生的电导率调制效应加强，电阻率逐渐降低，二极管正向压降在上升到最大值后随着N区电导率调制的进行开始逐渐下降直到稳定的正向压降。

图1：二极管正向恢复形成机理图

 

2、影响正向恢复过程的因素

 

二极管正向恢复时间（TFR）

 

二极管的正向恢复时间是指二极管由反向截止状态变为正向导通状态时，二极管正向电压不能立即成为正向导通电压，而是有一个过渡变化时间，电压经10% VF越过过冲电压VFP下降至110% VF所需时间。

正向恢复峰值电压（VFP）

 

在TFR过渡时间内，二极管的正向电压由一个比较高的值逐渐下降为正向导通电压VF,这个较高的正向电压称为正向恢复峰值电压。

影响正向恢复过程的因素    

 

外部因素：正向电流、电流变化率、温度。正向电流越大，正向恢复峰值电压越大，二极管正向恢复时间将减少。内部因素：P区与N区掺杂浓度、电子或空穴的迁移率、基区宽度、基区载流子寿命。

 

3、正向恢复对系统性能的影响

 

二极管的损耗导致温升上升

 

图2：二极管正向恢复形成机理图

 

初级MOS管的电压应力变高（反激电路）

 

由于二极管存在正向恢复特性，在反激电路中，输出二极管由反向截止变为正向导通时，副边绕组两端会出现瞬时的峰值高电压VO+VFP;因初级的VDS电压等于输入电压+次级的反射电压+漏感能量。其中次级反射电压=匝比*（VO+VFP),所以VFP的大小会影响初级电压应力的大小。

 

图3：二极管反射到原边MOS管的电压应力

 

4、二极管反向恢复分析

 

二极管反向恢复现象定义

 

当原处于正向导通状态的二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该二极管并不能立即关断，而是需要经过一段短暂的过渡时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前，会有一个较大的反向电流出现，并伴随着明显的反向电压过冲，这个过程即为反向恢复现象。

 

反向恢复原理分析

 

二极管的反向恢复原理主要涉及到电荷存储效应、势垒和内建电场的作用，以及载流子的复合和漂移等过程。

 

电荷存储效应

 

当二极管处于正向导通状态时，P区的空穴会向N区扩散，N区的电子会向P区扩散。这种扩散过程不仅使得势垒区（耗尽层）变窄，还导致了大量非平衡少数载流子在PN结两侧的存储。这些存储的电荷在二极管从正向导通状态转换到反向偏置状态时，并不会立即消失，而是需要一定的时间才能逐渐复合或漂移回各自的区域，电荷存储效应是二极管反向恢复过程存在的基础。

 

势垒和内建电场

 

在二极管中，PN结的两侧存在势垒和内建电场。当正向电压作用于二极管时，电子从N区向P区移动形成正向电流；而当反向电压作用于二极管时，电子则从P区向N区移动形成反向电流。然而由于势垒和内建电场的存在，反向电流需要克服这些阻力才能逐渐减小并消失。

 

载流子的复合和漂移

 

在二极管从正向导通状态转换到反向偏置状态时，存储的电荷主要通过两种途径消失：一是载流子的复合，即电子与空穴结合形成复合中心从而减少载流子数量；二是载流子的漂移，即载流子在电场作用下沿着一定方向移动从而离开PN结区域。这种过程共同使得二极管中的反向电流逐渐减小并最终达到稳定状态。    

 

5、反向恢复特性

 

二极管反向恢复特性由反向恢复时间、反向恢复电流、反向恢复电压等参数来描述。

 

反向恢复时间

 

反向恢复时间是指从正向电压减小到零或反向电压增加到零开始，到反向电流衰减到零所需的时间。它是衡量二极管高频性能的一个重要参数。反向恢复时间越长，说明二极管的反向恢复特性越差，高频性能也就越差。

 

反向恢复电流

 

反向恢复电流是指在反向恢复过程中出现的反向电流。它通常包括一个峰值电流和一个逐渐减小的尾流。反向恢复峰值电流的大小和正向电流的大小、二极管的类型以及工作条件等因素相关。反向恢复峰值电流的出现会增加电路的功耗和噪声，在实际应用中需要尽量减小其值。

 

反向恢复电压

 

反向恢复电压的指在反向恢复过程中所达到的峰值电压。它通常是由于反向恢复电流的存在而产生电压过冲。反向恢复电压的大小主要取决于二极管的材料和工艺水平等因素。反向恢复电压过高可能会导致二极管或电路中的其它元件损坏，在实际应用中应加以限制。

 

6、影响二极管反向恢复的因素

 

材料特性

 

不同材料的二极管具有不同的电荷存储效应和载流子迁移率等特性，从而影响其反向恢复性能。例如：碳化硅（Sic）二极管由于其优异的材料特性而具有较短的反向恢复时间和较低的反向恢复电流，因此被广泛在应用于高频和高效率场合。    

 

结构设计

 

二极管的结构设计也会影响反向恢复性能，通过优化PN结的结构和掺杂浓度等参数，可以减小电荷存储效应并缩短反向恢复时间，采用特殊结构的二极管也可以改善高频特性。

 

工作条件

 

二极管的工作条件（如正向电流大小、反向电压大小、工作温度等）也会影响其反向恢复性能。例如正向电流越大存储电荷越多，反向恢复时间越长；而反向电压越大则势垒区越宽，反向电流也就越小，但反向恢复时间就越长。工作温度的变化也会影响二极管的材料特性和载流子的迁移率等，从而影响二极管的反向恢复时间。

 

7、反向恢复对系统性能影响分析

 

二极管的关断损耗

 

由于反向恢复特性的存在，使得二极管在关断过程中会产生一个关断损耗。这损耗是由于反向恢复电流在二极管中流动时产生的热量而导致的。关断损耗的大小取决于反向恢复电流的大小和持续时间等因素。在实际应用中需尽量减小关断损耗以提高电路的效率。

图4：二极管关断损耗

 

加剧MOS管的开通损耗

 

二极管的反向恢复电流，会反灌到MOS，加剧MOS的开通电流，从而导致MOS、变压器等温升变高。    

图5：MOS管开通损耗测试图

 

导致电压应力上升

 

在IRRM下降段，观察电压曲线会发现整流器件阴极上有一个较高的电压过冲VRRM,其数值一般等于反向恢复电流的变化率与电路中杂散电感的乘积；其原理如下图所示，由于杂散电感阻碍IRRM减小，在电流方向一端感生出一个较大的正电压；其数值取决于杂散电感的大小与IRRM减小的速率。

 

电磁干扰（EMI）问题

 

反向恢复过程伴随着明显的反向电压过冲，高电压变化率会引发电磁干扰问题，这种电磁干扰可能会干扰电路中的其它元件或系统的正常工作，甚至导致电路失效。在实际应用中需要采取措施来抑制或消除这种电磁干扰。    

 

 

来源：风陵渡口话EMC

关键词： 二极管