根据电荷存储效应应该如何选择二极管呢?
0 2024-02-21

为什么会有反向的电压呢?


1、二极管在开关过程中的波形为什么会有一个向下的过冲呢?

首先在DCDC电源关断输入与输出的路径时,即DCDC电源开关管关断时,电源的电流路径发生了变化。变成了如下图所示:


电流回路


开关管关断时,电感电流不变,电容两端电压不变。则电流经电感L、电容C、负载R、二极管VD回到电感L左端,形成一个回路。二极管VD正极a为0,经二极管VD至b,则b电压为二极管钳位电压-VR。


在开关管导通瞬间二极管自身的反应又是什么样的呢?


二极管由转为正向传导模式转为反向承压模式时,会让电流发生并非立即出现的停止流动情况,这种效应我们称之为电荷存储效应。这会导致二极管存在一个关断时间,即:反向恢复时间也就是二极管从导通状态转换成关断状态所需的时间。

通常在开关电源连续模式反向恢复过程中,二极管流过较大的反向电流同时承受了较大的反向电压,因此造成了很大的反向恢复损耗,所以一般选反向恢复时间越短的越好,在电压应力较低的情况下肖特基是首选。常用的SiC二极管通常就是肖特基结构,反向恢复时间远低于PIN二极管。


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,P区空穴向N区扩散,N区电子向P区扩散,这样,就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。


电荷存储


空穴由P区扩散到N区后,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。

电荷分布

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;


反向漂移电流

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。


根据电荷存储效应应该如何选择二极管呢?


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。

反向恢复时间


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