功率PiN二极管的反向特性与反向恢复过程

功率二极管

在电力半导体器件中，PiN二极管原理简单，应用广泛。在电路中PiN二极管的数量比开关器件数量还要多，于电路本身起到关键作用。所以，PiN二极管性能成为整个电路是否能达标的关键性因素。

电路符号

反向特性

二极管正向导通时，都将从阳极和阴极注入大量载流子，注入的载流子以非平衡载流子的形式在基区（I区）形成储存电荷。非平衡载流子的注入使基区产生电导调制效应，使得正向通态压降Vf很低，这就是PiN二极管的最大优势。

当给一个处于导通状态的PiN二极管外加一个反向电压时，由于导通时基区存储的大量非平衡载流子，要实现关断就需要将这些存储在基区的非平衡载流子完全中和掉，中和这些非平衡载流子的时间或者说过程，我们称之为反向恢复过程。只要是双极型器件，就会有非平衡载流子的注入，那么就存在所谓的反向恢复过程。这种特性严重限制了器件在高频需求下的性能，我们要做的就是研究并减小反向恢复这个过程的时间。

(a)功率二极管反向恢复特性

(b)二极管关断原理电路

(c)关断过程中非平衡载流子浓度分布变化图

反向恢复过程

从时间T=0开始，施加反向电压V，可以看见，正向电流Ifm开始减小，知道T0时正向电流将为0。

从T=T0开始，电流为0，电流开始反向，进入反向恢复过程，此时我们可以理解为PN本身仍处于正向偏置。

T2~T0时间段非平衡载流子在反向电压的作用下从基区被流出，二极管反向电流从0开始上升，当T=T2时，反向电流达到峰值Irm，这是PN结附近载流子已经趋于0，形成了PN两侧的耗尽层，空间电荷去建立，就是我们所说的二极管“断开”。

在T>T2后，储存的电荷基本被中和，电感电压趋于零，二极管进入静态反向电压阶段。

参数性能仿真

研究人员利用SPICE模型，通过商业PSpice软件对功率二极管反向恢复特性进行了仿真。功率二极管型号1n4005（Ie=1A，Um<600V）。

(a)二极管反向恢复电流、电压波形

(b)实测1n4005反向恢复电流、电压波形

(c)不同If0的反向过渡过程电流波形

(d)不同If0的反向过度过程电压波形

(e)Irp及Urp与|di0/dt|的关系曲线

(f)Irp与If0及Urp与If0的关系曲线

(g)tr0、trr和trf与If0的关系曲线

(h)trr和trt与|di0/dt|的关系曲线

结论

在关断时电流的下降速率不变的情况下, 在较大的范围内,功率二极管的反向电流峰值、反向恢复时间都与关断前正向电流的大小近似成负指数增加关系。

当关断前正向电流相同时, 在较大的范围内 ,功率二极管的反向电流峰值 ,与关断时电流的下降速率的大小近似成负指数增加关系;反向恢复时间与关断时电流的下降速率的大小近似成几何函数关系。

原作者：cooldog007 智芯Player