了解整流二極管的反向恢復過程圖解

隨著電力電子技術向高頻化、模塊化方向發展，快恢復二極管是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管。快恢復二極管作為一種高頻器件也得到蓬勃發展，現已廣泛用于各種高頻逆變裝置和斬波調速裝置內，主要應用于開關電源、PWM脈寬調制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續流二極管或阻尼二極管使用。起到高頻整流、續流、吸收、隔離和箝位的作用。

現代脈沖電路中大量使用晶體管或二極管作為開關， 或者使用主要是由它們構成的邏輯集成電路。而作為開關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關作用。二極管和一般開關的不同在于，“開”與“關”由所加電壓的極性決定， 而且“開”態有微小的壓降Vf，“關”態有微小的電流I0。當電壓由正向變為反向時， 電流并不立刻成為（-I0） ， 而是在一段時間ts 內， 正向電流始終很大， 二極管并不關斷。經過ts后， 正向電流才逐漸變小， 再經過tf 時間， 二極管的電流才成為（-I0） ，。ts 稱為儲存時間，tf 稱為下降時間。tr=ts+tf 稱為反向恢復時間， 以上過程稱為反向恢復過程。

反向恢復過程，實際上是由電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是正向導通時PN結存儲的電荷耗盡所需要的時間。假設為Trr，若有一頻率為T1的連續PWM波通過二極管，當Trr《T1時，二極管方反向時就不能阻斷此PWM波，起不到開關作用。二極管的反向恢復時間由Datasheet提供。反向恢復時間快使二極管在導通和截止之間迅速轉換，可獲得較高的開關速度，提高了器件的使用頻率并改善了波形。

快恢復二極管的最主要特點是它的反向恢復時間（trr）在幾百納秒（ns）以下，超快恢復二極管甚至能達到幾十納秒。所謂反向恢復時間（trr），它的定義是：電流通過零點由正向轉換成反向，再由反向轉換到規定低值的時間間隔。它是衡量高頻續流及整流器件性能的重要技術指標。

整流二極管的反向恢復過程圖解

一、二極管從正向導通到截止有一個反向恢復過程

在上圖所示的硅二極管電路中加入一個如下圖所示的輸入電壓。在0―t1時間內，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，VD可略去不計，則

在t1時，V1突然從+VF變為-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變到一個很大的反向電流IR=VR／RL，這個電流維持一段時間tS后才開始逐漸下降，再經過tt后 ，下降到一個很小的數值0.1IR，這時二極管才進人反向截止狀態，如下圖所示。

通常把二極管從正向導通轉為反向截止所經過的轉換過程稱為反向恢復過程。其中tS稱為存儲時間，tt稱為渡越時間，tre=ts+tt稱為反向恢復時間。 由于反向恢復時間的存在，使二極管的開關速度受到限制。

二、產生反向恢復過程的原因——電荷存儲效應

產生上述現象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時，載流子不斷擴散而存儲的結果。當外加正向電壓時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（擴散長度）內，一方面繼續擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在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區的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。

我們把正向導通時，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變為-VR時Ｐ區存儲的電子和Ｎ區存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少：① 在反向電場作用下，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。經過時間ts后Ｐ區和Ｎ區所存儲的電荷已顯著減小，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，經過時間tt，二極管轉為截止。

由上可知，二極管在開關轉換過程中出現的反向恢復過程，實質上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。

二極管和一般開關的不同在于，“開”與“關”由所加電壓的極性決定， 而且“開”態有微小的壓降V f，“關”態有微小的電流i0。當電壓由正向變為反向時， 電流并不立刻成為（- i0） ， 而是在一段時間ts 內， 反向電流始終很大， 二極管并不關斷。

經過ts后， 反向電流才逐漸變小， 再經過tf 時間， 二極管的電流才成為（- i0） ， ts 稱為儲存時間， tf 稱為下降時間。tr= ts+ tf 稱為反向恢復時間， 以上過程稱為反向恢復過程。這實際上是由電荷存儲效應引起的， 反向恢復時間就是存儲電荷耗盡所需要的時間。該過程使二極管不能在快速連續脈沖下當做開關使用。如果反向脈沖的持續時間比tr 短， 則二極管在正、反向都可導通， 起不到開關作用。

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