二极管的反向康复特性

2017-07-14 10:12分类：电子技术阅读：

二极管的反向康复特性
半桥、全桥和LLC的电源体系以及电机操控体系的主功率MOSFET、同步Buck改换器的续流开关管、以及次级同步整流开关管，其体内寄生的二极管都会阅历反向电流康复的进程。功率MOSFET的体二极管的反向康复功用和快康复二极管及肖特基二极管比照，其反向康复速度要低许多，反向康来电荷也要大许多，因而反向康复的特性较差。这么，致使二极管的开关损耗添加，降低体系的功率，一同，也会发作较高的振铃，影响功率MOSFET的安全作业。功率MOSFET数据表中，通常给出了必定条件下的Qrr和反向康复的时间，并没有给出和实习运用有关的、在纷歧样的开端电流和纷歧样的电流降低斜率下，对应的反向康复特性，这篇文章就谈论这些疑问并做具体的剖析。
MOSFET的构造及反向康复波形剖析
沟槽Trench型N沟道增强型功率MOSFET的构造如图1所示，在N-epi外延层上涣散构成P基区，然后经过刻蚀技能构成深度逾越P基区的沟槽，在沟槽壁上热氧化生成栅氧化层，再用多晶硅填充沟槽，运用自对准技能构成N+源区，不和的N+substrate为漏区，在栅极加上必定正电压后，沟槽壁侧的P基区反型，构成笔直沟道。由图1中的构造能够看到，P基区和N-epi构成了一个PN结，即MOSFET的寄生体二极管。

图1 MOSFET内部构造

图2 反向康复波形
当体二极管外加正向电压VF时，正向电压削弱了PN结的内电场，漂移运动被削弱，涣散运动被增强，涣散和漂移的动态平衡被损坏。效果构成P区的空穴（多子）流向N区，N区的电子(多子）流向P区，如图1中箭头所示。进入P区的电子和进入N区的空穴别离变成该区的少子。因而，在P区和N区的少子比无外加电压时多，这些多出来的少子称为非平衡少子。这些非平衡少子，依托堆集时浓度差在N区和P区进行涣散。空穴在N差异散进程中，同N区中的多子电子相遇而复合，间隔PN结鸿沟越远，复合掉的空穴就越多。通常把正导游通时，非平衡少量载流子堆集的景象叫做电荷存储效应。
当体二极管施加反向电压时，P区存储的电子和N区存储的空穴不会立刻不见，它们将经过两个路径逐步削减：
a. 在反向电场效果下，P区电子被拉回N区，N区空穴被拉回P区，构成反向漂移电流；
b. 与大都载流子复合。
经过图2能够极好地阐明悉数反向康复的进程。
a. T0～T1时期，PN结处于正向偏置，即势垒区依然很窄，PN结的电阻很小，二极管的正向电流以一固定的di/dt逐步减小，di/dt的巨细由外电路抉择；
b. T1～T2时期，二极管的存储电荷在反向电压的效果下开端扫出，但PN结仍未构成耗尽层，反向电流由扫出的过量电荷坚持。因而二极管不能接受反向电压，电流仍以di/dt速率降低；
c. T2～T3时期，PN结处等离子浓度衰减为0，即在PN结处构成耗尽层，PN结开端接受反向电压。由于二极管反向电压的上升，致使了反向康来电流的di/dt逐步减小；在T3时间，二极管电压抵达VDC，di/dt降到0，扫出电流抵达最大值，即IRR；
d. T3～T4时期，反向电流由从等离子差异散到耗尽层的载流子坚持，由于等离子的继续耗散，在空间电荷区的边际过量电荷浓度的梯度逐步减小，致使T3后的反向电流将减小。由于负di/dt的存在，二极管上的反向电压将会呈现超调，当电流降为0时，反向电压将会抵达最大值。T4往后，回路进入了RLC自在振动时期。
反向康复中的di/dt剖析

图3 反向康复仿真电路
由于di/dt直接影响了反向康来电流IRR的巨细，因而剖析di/dt的改动对实习运用将会很有含义。为剖析影响di/dt巨细的要素，计划了图3所示的电路。其间U2为被测器材，U1为开关管，为电感供应电流以及为U2供应反向电压，L1为线路的寄生电感，L2为负载电感，用来供应正向电流IF。
电路作业进程如下，当U1导通时，电感L2的电流上升，其峰值电流为

，当U1关断时，L2的电流经U2的体二极管续流，此电流即为二极管的正导游通电流IF。当U1再次翻开时，VDC经过L1、U1施加正向电压于U2的体二极管，使其进入反向康复时期。
1 T2时间之前的di/dt剖析
在T2时间之前，U2的体二极管反导游通电阻很小，能够疏忽不计，因而依据回路的KVL方程可得

(1)
由式（1）可知，di/dt由三个要素抉择，即VDC，VDS(U1)，L1。VDC越高，VDS(U1)、L1越小，di/dt就越大。下面经过三个实验来研讨di/dt的改动状况。
实验1：改动寄生电感
由于回路的寄生电感L1改动比照艰难，所以经过仿真的办法来验证di/dt的改动状况。图4为L1为纷歧样电感值的仿真效果，能够看到，电感值越小，di/dt越大，反向康来电流IRR也越大。

图4 纷歧样L1的反向康复仿真波形
实验2：改动U1的注册速度
经过操控U1的栅极电容C1来改动U1的注册速度一样也能够改动电流改动率di/dt，这是由于U1的开关速度改动了VDS(U1)的改动率。图5为改动栅极电容的实习查验效果，能够看到跟着Cgs的减小，U1的注册速度变快，di/dt变大，反向康来电流IRR也会变大。但U1的开关速度对di/dt的影响是有限的，由于VDS(U1)对di/dt的影响仅仅是在U1的注册时期（即di/dt改动的前期），当U1彻底注册后，di/dt仅由回路的寄生电感L1抉择。

图5 纷歧样Cgs下的反向康复查验效果（非仿真）
实验3：改动正向电流IF
经过改动U1的PWM脉冲的占空比来改动电感中的电流IP，也即二极管的正导游通电流IF。由图6能够看出，当IF大于18A时，其di/dt根柢不变，反向康复峰值电流IRR也根柢坚持不变，这是由于

，在TU1(ON)时间后，U1已彻底导通，VDS(U1)不再改动，所以di/dt不变。但当电流小于12A时，会发现其di/dt变小，反向康复峰值电流IRR也显着变小，这是由于在TU1(ON)时间前，U1没有彻底导通，VDS(U1)依然较高，所以di/dt较小。

图6 纷歧样IF下的反向康复实习查验效果（非仿真）
2 T3时间往后的di/dt剖析
与T2时间之前di/dt纷歧样的是，T3往后的康来电流di/dt的巨细不是由外围电路的参数来抉择的，而是取决于体二极管本身的特性。在T3时间后，二极管上的反向偏置已抵达VDC，其反向康来电流首要由涣散电流来坚持，其di/dt反映了少子因复合而不见的时间的长短。通常用二极管的软度系数来衡量在此刻期的康复特性，即S=(T4-T3)/(T3-T1)。较硬的康复特性会致使很高的di/dt，然后构成较高的过冲，一同发作振铃，严峻影响了体系的牢靠性，致使体系的EMI超支，功率降低等。反向康来电流IRR越高，T3时间后的di/dt也越高，因而操控IRR的巨细有助于操控di/dt的巨细。
结语
在实习运用中，MOSFET的体二极管给咱们带来了许多的便当和利益，但咱们不能疏忽其反向康复特性对体系的影响，从以上剖析能够总结出对于MOSFET体二极管在实习运用中的运用办法：
a. 经过较好的布线减小线路的寄生电感，然后减小在反向康复进程中的振铃；
b. 经过操控适宜的开关速度来操控反向康复时的di/dt，减小反向康来电流的峰值IRR，然后减小振铃；
c. 假定经过优化仍不能处理体系的振铃疑问，则应经过挑选具有较软康复系数的MOSFET来进行计划。