反向恢復(fù)時(shí)間
二極管反向恢復(fù)過程，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ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf 時(shí)間, 二極管的電流才成為(-I0) , 如圖1 示。ts 稱為儲存時(shí)間,tf 稱為下降時(shí)間。tr=ts+tf 稱為反向恢復(fù)時(shí)間, 以上過程稱為反向恢復(fù)過程。
這實(shí)際上是由電荷存儲效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過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)過程，實(shí)際上是由電荷存儲效應(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)過程全解
一、二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€(gè)反向恢復(fù)過程
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)過的轉(zhuǎn)換過程稱為反向恢復(fù)過程。其中tS稱為存儲時(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)過程的原因—電荷存儲效應(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，在Ｐ區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在Ｎ區(qū)內(nèi)存儲了空穴，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，這樣就會在LP范圍內(nèi)存儲一定數(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)象叫做電荷存儲效應(yīng)。
當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)Ｐ區(qū)存儲的電子和Ｎ區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個(gè)途徑逐漸減少：①在反向電場作用下，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。
在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(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)過時(shí)間ts后Ｐ區(qū)和Ｎ區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(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ts后,反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf 時(shí)間,二極管的電流才成為(- i0),ts稱為儲存時(shí)間,tf 稱為下降時(shí)間。tr=ts+tf稱為反向恢復(fù)時(shí)間, 以上過程稱為反向恢復(fù)過程。
這實(shí)際上是由電荷存儲效應(yīng)引起的, 反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過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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