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二极管反向恢复时间特性与作用详解及注意事项-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-10-17 

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二极管反向恢复时间特性与作用详解及注意事项

反向恢复时间概述

二极管反向恢复时间是如何体现的,下面先了解反向恢复时间,现代脉冲电路中大量使用晶体管或二极管作为开关, 或者使用主要是由它们构成的逻辑集成电路。而作为开关应用的二极管主要是利用了它的通(电阻很小)、断(电阻很大) 特性, 即二极管对正向及反向电流表现出的开关作用。


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Vf,“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) , 如图1 示。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。


二极管反向恢复时间


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。因此了解二极管反向恢复时间对正确选取管子和合理设计电路至关重要。


开关从导通状态向截止状态转变时,二极管或整流器在二极管阻断反向电流之前需要首先释放存储的电荷,这个放电时间被称为反向恢复时间,在此期间电流反向流过二极管。即从正向导通电流为0时到进入完全截止状态的时间。


二极管反向恢复时间的反向恢复过程,实际上是由电荷存储效应引起的,二极管反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。假设为Trr,若有一周期为T1的连续PWM波通过二极管,当Trr>T1时,二极管反方向时就不能阻断此PWM波,起不到开关作用。二极管的反向恢复时间由Datasheet提供。反向恢复时间快使二极管在导通和截止之间迅速转换,可获得较高的开关速度,提高了器件的使用频率并改善了波形。


快恢复二极管反向恢复时间及参数

快恢复二极管反向恢复时间特性决定着功率变换器的性能,在双极功率晶体管的电流下降时间大于1us(开通时间约100ns)时期,二极管的反向恢复在双极功率晶体管的开通过程中完成,而且双极功率晶体管达到额定集电极电流的1/2-2/3左右后随着Ic上升Hfe急剧下降,限制了二极管的反向恢复电流的峰值,在某种意义上,也限剬了di/dt,双极功率晶体管的开通过程掩盖了二极管的反向恢复特性,因而对二极管的反向恢复仅仅是反向恢复时间提出要求。


随着功率半导体器件的开关速度提高,特别是Power M0SFET、高速IGBT的出现,不仅开通速度快(可以在数十纳秒内将MOSFET彻底导通或关断),而且在额定驱动条件下,其漏极/集电极电流可以达到额定值的5-10倍,使MOS或IGBT在开通过程中产生高的反向恢复峰值电流IRRM,同时M0S或IGBT在开通过程结束后二极管的反向恢复过程仍然存在,使二极管的反向恢复特性完全暴露出来,高的IRRM、di/dt使开关管和快速二极管本身受到高峰值电流冲击并产生较高的EMT。


因而对二极管的反向恢复特性不仅仅限于反向恢复时间短,而且要求反向恢复电流峰值尽可能低,反向恢复电流的下降,上升的速率尽可能低,即超快、超软以降低开关过程中反向恢复电流对开关电流的冲击,减小开关过程的EMI。


1、反向恢复参数与应用条件

一般的超快速二极管的反向时间定义为小于100ns,高耐压超快恢复二极管的反向恢复时同trr比低耐压的长,如耐压200V以下的超快恢复二极管的典型反向恢复时间在35ns以下,耐压600V的典型反向恢复时间约75ns,耐压1000V的超快恢复二极管的典型反向恢复时间约100-160 ns。各生产厂商的产品的反向恢复特性(主要是反向恢复时间trr和反向恢复峰值电流IRRM)是不同的。


A、trr与If和di/dt的关系

trr与If和di/dt的关系如下图所示:


二极管反向恢复时间

rr与If和-di/dt的关系


从图中可见,随着二极管的正向电流lf的增加反向恢复时间trr随着增加:di/dt的增加,反向恢复时间trr减小。因此,以测试小信号开关二极管的测试条件IF=IR=10ma为测试条件的反向恢复时间不能如实表现实际应用情况:以固定正向电流(如1A)为测试条件也不能在实际应用中得到客观再现;不同电流档次以其额定正向电流或其1/2为测试条件则相对客观。


B、二极管反向恢复时间与反向电压的关系


二极管反向恢复时间


二极管反向恢复时间随反向电压增加,如果600V超快恢复二极管在反向电压为30V时,反向恢复时间为35ns,向反向电压为350V时其反向恢复时间增加,因此,仅从产品选择指南中按所给的反向恢复时间选用快速二极管,如反向电压的测试条件不同,将导致实际的反向恢复时间的不同,应尽可能的参照数据手册中给的相对符合测试条件下的反向恢复时间为依据。


C、反向恢复峰值电流IRRM


二极管反向恢复时间


反向恢复峰值电流IRRM随-di/dt增加,因在不同-di/dt的测试条件下,IRRM的幅值是不同的。


IRRM随反向工作电压上升,因此额定电压为1000V的快速二极管,在相同的-di/dt条件下,但反向工作电压不同时(如500V与1000V)则IRRMM是不能相比较的。


D、结温T的影响


二极管反向恢复时间


反向恢复时间trr随工作结温上升,结温125 时的反向恢复时间是结温25时的近2倍。反向恢复峰值电流IRRM随工作结温上升,结温125时的反向恢复峰值电流是结温25时的近1.5倍。反向恢复电荷Orr随工作结温上升,结温125时的反向恢复电荷是结湿25时的近3倍以上。


E、反向恢复损耗


二极管反向恢复时间


二极管的反向恢复损耗是在反向恢复过程的后半部分t1-t2期间,其损耗的大小与IRRM和t1-t2的大小有关,在人极管的反向恢复过程中,而开关管的开通损耗始终存在。很明显,快速反向恢复二极管的反向恢复损耗与开关管的开通损耗随IRRM和反向恢复时时间增加。


F、IRRM、反向恢复损耗及EMI的减小


二极管反向恢复时间


在实际应用中快速反向恢复二极管的反向恢复过程将影响电路的性能,为追求低的反向恢复时间,可能会选择高的di/dt,但会引起高的IRRM、振铃、电压过冲和高的EMI并增加开关损耗。


若适当减小di/dt可降低IRRM、EMI,消除振零和电压过冲和由此产生的损耗,di/dt的降低是通过降低开关管的开通速度实现,开关管的开关损耗将增加,因此,改变di/dt不能从本质上解决快速反向恢复二极管的反向恢复存在的全部问题,必须改用性能更好的快速反向恢复二极管,即IRRM低、trr短、反向恢复特性软,通过各种快速反向恢复二极管的数据,可以找出性能好的快速反向恢复二极管。


二极管反向恢复时间


快恢复二极管模块已广泛用于高频电力电子电路,已成为主要高频器件之一,它的使用技术比较成熟,快恢复二极管模块已在高频逆变焊机,大功率开关电源,高频逆变型电镀电源,高频快速充电器以及高频调速装置等场合批量使用。


二极管反向恢复时间注意事宜

二极管反向恢复时间限制了二极管的开关速度,这一点尤其需要注意。


(1)如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得多,这时负脉冲能使二极管彻底关断,起到良好的开关作用;


(2) 如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差不多甚至更短的话,这时由于反向恢复过程的影响,负脉冲不能使二极管关断所以要保持良好的开关作用,脉冲持续时间不能太短,也就意味着脉冲的重复频率不能太高,这就限制了开关的速度。


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