在電子電路中，二極管是最常用的基礎(chǔ)電子元器件之一，在電力電子電路中，二極管與開關(guān)器件形影相隨，并且在很多情況下，二極管的數(shù)量要多于開關(guān)器件，可見其重要性。 其中與開關(guān)器件匹配使用的大功率二極管要求最為特殊，這種二極管通常被稱作“Freewheeling Diode”也就是我們常說的續(xù)流二極管(FWD).下圖是最基本的IGBT直流變換器電路，其中VD1~VD4為續(xù)流二極管。
IGBT直流變換器中的FWD
適當(dāng)?shù)倪x擇續(xù)流二極管的特性，可以顯著地減小開關(guān)器件、二極管和其他許多電路元件的功率損耗。 還可以減小由續(xù)流二極管所引起的電壓尖峰、射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EMI),從而盡量減小甚至去掉吸收電路。 因此續(xù)流二極管的特性對(duì)于開關(guān)器件的使用十分重要。
二極管反向恢復(fù)特性和機(jī)理
二極管的反向恢復(fù)特性
反向恢復(fù)波形
圖中的符號(hào)意義如下：
IFM:二極管通態(tài)峰值電壓
-diF/dt:正向通態(tài)電流下降率
IRM：反向峰值電流
VFM：正向通態(tài)電壓
VR：反向電壓
VRM：反向峰值電壓
ta:存儲(chǔ)時(shí)間
tb:復(fù)合時(shí)間
trr:反向恢復(fù)時(shí)間
dir(REC)/dt:反向恢復(fù)di/dt
Qrr:反向恢復(fù)電荷
S：反向恢復(fù)軟度
二極管反向恢復(fù)機(jī)理
所有的pin二極管，在傳導(dǎo)正向電流時(shí)，都將從陽(yáng)極和陰極注入大量的載流子，從陽(yáng)極注入的空穴載流子在基區(qū)(i區(qū))則以少子的形式存儲(chǔ)電荷。 少子注入使i區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得正向通態(tài)壓降很低。
但是當(dāng)正處于正向?qū)ǖ亩O管突然外加一個(gè)反向電壓時(shí)，由于i區(qū)有大量少數(shù)載流子的存儲(chǔ)，故在實(shí)現(xiàn)反向關(guān)斷之前需要將這些少數(shù)載流子完全抽出或者中和掉，這一過程就是我們所說的反向恢復(fù)過程，所需要的時(shí)間被定義為反向恢復(fù)時(shí)間trr。
反向恢復(fù)過程的產(chǎn)生原因時(shí)少數(shù)載流子的注入，只要是雙極型器件，只要有少子注入，就不可避免的會(huì)有反向恢復(fù)過程。 但這一過程嚴(yán)重的限制了器件的高頻特性，需要盡可能的減小和消除。
二極管反向恢復(fù)過程分析
下圖是結(jié)合二極管反向恢復(fù)波形進(jìn)行的分析，進(jìn)行了分段講解
二極管反向恢復(fù)軟度
表征二極管軟度的方法通常是ta與tb的比值，即軟度S=tb/ta。
這種表征方法一直被廣泛采用，通常是S越大越好，S越大，意味著反向恢復(fù)dir(REC)/dt越小。 dir(REC)/dt會(huì)在電路電感中產(chǎn)生較高地帶電動(dòng)勢(shì)(VRM-VR),這個(gè)電勢(shì)疊加于電源電壓VR之上，一起加在二極管及其并聯(lián)地開關(guān)器件上，我們稱之為過沖電壓。 dir(REC)/dt和電路電感越大，VRM越高。 這個(gè)電勢(shì)不僅提高了二極管和開關(guān)器件地電壓要求和成本，而且也是二極管和開關(guān)器件的一大威脅，所以反向恢復(fù)dir(REC)/dt對(duì)于電路安全設(shè)計(jì)十分重要。
VRM=VR+L* dir（REC）/dt
這里還有另外一個(gè)表征方法，反向恢復(fù)軟度因子，用FRRS表示，其定義如下：
式中各參數(shù)的取值如下圖，顯然FRRS越大越好
可見，軟度因子FRRS和軟度S時(shí)統(tǒng)一的，但是FRRS更科學(xué)，更實(shí)用。 反向恢復(fù)時(shí)間trr和軟度因子FRRS的測(cè)試條件如下：
小于10%的和200%的額定正向平均電流值；
正向電流下降率(dirr/dt)i=0;
反向電壓(VR)取額定反向重復(fù)峰值電壓的5%；
RC吸收電路(適用時(shí))；
等效結(jié)溫。
以上講述二極管的反向恢復(fù)過程的重要性，同時(shí)針對(duì)整個(gè)過程的機(jī)理進(jìn)行了分析。 讓我們?cè)诤竺娴倪^程中慢慢地去體會(huì)這么一個(gè)看似簡(jiǎn)單實(shí)則很厲害的器件是如何發(fā)揮它的作用的。
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