反向恢復(fù)時(shí)間
二極管反向恢復(fù)過(guò)程，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), 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。
經(jīng)過(guò)ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過(guò)tf 時(shí)間, 二極管的電流才成為(-I0) , 如圖1 示。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(guò)程稱為反向恢復(fù)過(guò)程。
這實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過(guò)程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導(dǎo)通, 起不到開關(guān)作用。因此了解二極管反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)正確選取管子和合理設(shè)計(jì)電路至關(guān)重要。
開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，二極管或整流器在二極管阻斷反向電流之前需要首先釋放存儲(chǔ)的電荷，這個(gè)放電時(shí)間被稱為反向恢復(fù)時(shí)間,在此期間電流反向流過(guò)二極管。即從正向?qū)娏鳛?時(shí)到進(jìn)入完全截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間。
反向恢復(fù)過(guò)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，若有一周期為T1的連續(xù)PWM波通過(guò)二極管，當(dāng)Trr>T1時(shí)，二極管反方向時(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。
二極管反向恢復(fù)過(guò)程全解
一、二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€(gè)反向恢復(fù)過(guò)程
在上圖所示的硅二極管電路中加入一個(gè)如下圖所示的輸入電壓。在0―t1時(shí)間內(nèi)，輸入為+VF，二極管導(dǎo)通，電路中有電流流通。
設(shè)VD為二極管正向壓降（硅管為0.7V左右），當(dāng)VF遠(yuǎn)大于VD時(shí)，VD可略去不計(jì)，則
在t1時(shí)，V1突然從+VF變?yōu)?VR。在理想情況下，二極管將立刻轉(zhuǎn)為截止，電路中應(yīng)只有很小的反向電流。但實(shí)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(gè)很大的反向電流IR=VR／RL，這個(gè)電流維持一段時(shí)間tS后才開始逐漸下降，再經(jīng)過(guò)tt后，下降到一個(gè)很小的數(shù)值0.1IR，這時(shí)二極管才進(jìn)人反向截止?fàn)顟B(tài)，如下圖所示。
通常把二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止所經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為反向恢復(fù)過(guò)程。其中tS稱為存儲(chǔ)時(shí)間，tt稱為渡越時(shí)間，tre=ts+tt稱為反向恢復(fù)時(shí)間。由于反向恢復(fù)時(shí)間的存在，使二極管的開關(guān)速度受到限制。
二、產(chǎn)生反向恢復(fù)過(guò)程的原因—電荷存儲(chǔ)效應(yīng)
產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時(shí)，載流子不斷擴(kuò)散而存儲(chǔ)的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時(shí)Ｐ區(qū)空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，Ｎ區(qū)電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，這樣，不僅使勢(shì)壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)，在Ｐ區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子，而在Ｎ區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。
空穴由Ｐ區(qū)擴(kuò)散到Ｎ區(qū)后，并不是立即與Ｎ區(qū)中的電子復(fù)合而消失，而是在一定的路程LP（擴(kuò)散長(zhǎng)度）內(nèi)，一方面繼續(xù)擴(kuò)散，一方面與電子復(fù)合消失，這樣就會(huì)在LP范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小。正向電流越大，存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲(chǔ)電荷的分布。
我們把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。
當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)Ｐ區(qū)存儲(chǔ)的電子和Ｎ區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少：①在反向電場(chǎng)作用下，Ｐ區(qū)電子被拉回Ｎ區(qū)，Ｎ區(qū)空穴被拉回Ｐ區(qū)，形成反向漂移電流IR，如下圖所示。②與多數(shù)載流子復(fù)合。
在這些存儲(chǔ)電荷消失之前，ＰＮ結(jié)仍處于正向偏置，即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄，ＰＮ結(jié)的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時(shí)反向電流IR=（VR＋VD）/RL。VD表示ＰＮ結(jié)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(jīng)過(guò)時(shí)間ts后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已顯著減小，勢(shì)壘區(qū)逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值，經(jīng)過(guò)時(shí)間tt，二極管轉(zhuǎn)為截止。
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),反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。
經(jīng)過(guò)ts后,反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過(guò)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(guò)程稱為反向恢復(fù)過(guò)程。
這實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過(guò)程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導(dǎo)通, 起不到開關(guān)作用。
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