二极管反向恢复的原理

一、

在上图所示的硅二极管电路 中加入一个如下图所示的输入电压。在0―t1时间内，输入为+VF，二极管导通，电路中有电流流通。

　　设VD为二极管正向压降（硅管为0.7V左右），当VF远大于VD时，VD可略去不计，则在t1时，V1突然从+VF变为-VR。在理想情况下 ，二极管将立刻转为截止，电路中应只有很小的反向电流。但实际情况是，二极管并不立刻截止，而是先由正向的IF 变到一个很大的反向电流IR=VR／RL，这个电流维持一段时间tS后才开始逐渐下降，再经过tt后 ，下降到一个很小的数值0.1IR，这时二极管才进人反向截止状态，如下图所示。　　通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。其中tS称为存储 时间，tt称为渡越时间，tre=ts+tt称为反向恢复时间。 由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关 速度受到限制。　　二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压VF时，载流子不断扩散而存储的结果。当外加正向电压时Ｐ区空穴向Ｎ区扩散，Ｎ区电子 向Ｐ区扩散，这样，不仅使势垒区（耗尽区）变窄，而且使载流子有相当数量的存储，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于，如下图所示。　　空穴由Ｐ区扩散到Ｎ区后，并不是立即与Ｎ区中的电子复合而消失，而是在一定的路程LP（扩散长度）内，一方面继续扩散，一方面与电子复合消失，这样就会在LP范围内存储一定数量的空穴，并建立起一定空穴浓度分布，靠近结边缘的浓度最大，离结越远，浓度越小 。正向电流越大，存储的空穴数目越多，浓度分布的梯度也越大。电子扩散到Ｐ区的情况也类似，下图为二极管中存储电荷的分布。　　我们把正向导通时，非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。　　当输入电压突然由+VF变为-VR时Ｐ区存储的电子和Ｎ区存储的空穴不会马上消失，但它们将通过下列两个途径逐渐减少：① 在反向电场作用下，Ｐ区电子被拉回Ｎ区，Ｎ区空穴被拉回Ｐ区，形成反向漂移电流IR，如下图所示；②与多数载流子复合。　　在这些存储电荷消失之前，ＰＮ结仍处于正向偏置，即势垒区仍然很窄，ＰＮ结的电阻仍很小，与RL相比可以忽略，所以此时反向电流IR=（VR＋VD）/RL。VD表示ＰＮ结两端的正向压降，一般 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在这段期间，IR基本上保持不变，主要由VR和RL所决定。经过时间ts后Ｐ区和Ｎ区所存储的电荷已显著减小，势垒区逐渐变宽，反向电流IR逐渐减小到正常反向饱和电流的数值，经过时间tt，二极管转为截止。　　由上可知，二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上由于电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。　　二极管和一般开关的不同在于,“开”与“关”由所加电压的极性决定, 而且“开”态有微小的压降V f,“关”态有微小的电流i0。当电压由正向变为反向时, 电流并不立刻成为(- i0) , 而是在一段时间ts 内, 反向电流始终很大, 二极管并不关断。经过ts后, 反向电流才逐渐变小, 再经过tf 时间, 二极管的电流才成为(- i0) , ts 称为储存时间, tf 称为下降时间。tr= ts+ tf 称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。这实际上是由电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比tr 短, 则二极管在正、反向都可导通, 起不到开关作用。

buck电路中二极管反向恢复电流尖峰分析

当Buck电路中出现二极管时，就很有可能出现反向恢复中电流尖峰异常的问题。本篇文章将通过实例与电路图的配合，对反向恢复电流尖峰出现问题的原因进行分析。希望能够为大家提供新的设计思路。

首先，先从连续通导的buck电路图开始进行。

图1

在图1中，plot1为PWM波形，plot1至plot3是电感电流在CCM模式下的波形。后面我们将对其中的各个电路提出相应的问题，并进行解答。

图2

可能有的朋友会对图2产生怀疑，因为这似乎并不是人们所熟悉的二极管续流等效电路。实际上MOSFET断开产生续流通路，PN结电荷发生变化，如将其看成一个等效电容，则为上负下正的一个部件。最终电感电流释放到谷点，谷点末期（0-至0+时刻）电容替代电感为负载提供能量，此时电感还以电磁能方式保存有能量（因为电感如果再放电，电容的电压显然要高过电感，变成电容还要给电感充能了。但那种现象是不可能的；因为Vin来了。如果Vin没来，而电感能量继续下降到0，不再输出能量，此时因为二极管和开关的分布电容引起震荡，但对于CCM来说震荡时间不存在）这个瞬间过于太短暂，马上转到下一阶段（图3）。

图3

MOS管开通时电感中不存在电流？仅有电流短路而不存在分布电感如何产生反向尖峰？

因为MOS管闭合瞬间（又一个0-到0+的瞬间），因为二极管因正向导通，等效结电容上方聚集满载流子，当外电场Vin接入时，因电荷异性相吸导致PN结电容变回中性，紧接着二极管PN结等效结电容电荷变成上正下负（下面多载流子）。二极管除去正向因导通而注入的电荷，然后反向充电至阻断状态，这个时间就是trr反向恢复时间，在二极管恢复之前，它呈现短路行为。

因为短路Vd负向电流很大，相当于脉冲，如图5红色部分所示。

图4

图5

“短路”的最终结果

有的朋友可能看不懂图4中的电路，下面就对这种电路进行一下讲解。因为“短路”的最终结果，Vcc的电压跟二极管结电容电压相等，对电感电容进行充电，那么电容、电感、二极管结电容跟Vcc结电容处吸取能量，类似于LC串联谐振时候。二极管结电容跟Vin除了要供应负载的电流能量，还要供应电感电容充电的能量。二极管结电容所示的能量如图5蓝色部分。

肖特基二极管由于结构上特殊，所以需要设计者们特别注意。肖特基二极管的结构为金属半导体，完全可以理解为有正负极特性的电解电容，本文中的二极管就可以理解为电容。区别仅仅存在于运行机理上。肖特基二极管是电荷中和，PN结效应。而电容是电容效应，通过电容放电。至于说分布电感产生的反向尖峰，由于短路能量太大，可以忽略不计。

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