二极管的瞬态特性

《涨知识啦40》——二极管的瞬态特性

对于功率二极管来说，除了关注功率损失和反向阻断能力外，其在导通和关断过程中的瞬态特性也是不容忽视的，某些情形下甚至会上升为首要问题。

功率二极管从断态到稳定导通状态的过程中，其正向电压会随着电流的上升首先出现一个过冲，然后才逐渐趋于稳定，如图1所示。电压过冲的物理机制主要有两个，一个是阻性机制，一个是感性机制。阻性机制是指少数载流子输入的电导调制作用。以P⁺N结二极管为例，在导通初期，二极管的电阻主要来自低掺杂N区的欧姆电阻，其值颇高且为常量，因此管压降随着电流的上升而升高。但当电流上升到一定的数值时，注入并积累在低掺杂N区的少数载流子空穴不断增加，使其电阻率明显下降，这就是电导调制作用。电导调制使N区的有效电阻随着正向电流的上升而下降，管压降即随之降低，从而形成峰值U_FP。感性机制是指正向电流随时间上升在器件的内部电感上产生压降，电感压降只存在于电流上升过程中，当正向电流逐渐趋于稳定时电感压降趋于零。由于有电感压降的存在，因而峰值压降U_FP必是电流上升率di/dt的函数，di/dt越大，U_FP也就越高。U_FP中的阻性分量只在di/dt较小时才起主要作用。描述二极管开通过程的特征参数除了di/dt和U_FP而外，还有一个被称为正向恢复时间的时间常数t_fr，参照图1，t_fr定义为正向电压从零经极大值U_FP降至接近稳态压降的某个瞬态值所需要的时间。

图 1 二极管导通时的电压过冲现象

当加在一个二极管上的偏置电压的极性从正向转为反向时，该二极管并不能立即关断，而必须经过一个短暂的时间周期之后才能重新获得反向阻断能力，进入关断状态。在关断之前会有显著的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲，这是由于正向导通是在PN结两侧存在少数载流子累积的结果。二极管关断过程中的电流波形和电压波形如图2所示。关断过程自时刻t_F开始，这时加在二极管上的偏置电压反向，正向电流I_F以速率di_F/dt下降，其值由开关电路的外电感L和反向电压U_R决定，即：

对P⁺N结型二极管而言，随着电流的减小，存储在高阻N区的额外空穴的电导调制作用被削弱，加上器件内部电感的作用，管压降U_F暂无明显变化，即便在电流I_F为零的时刻t₀也只有轻微下降，且仍为正向电压。事实上，只要N区额外空穴的密度还保持着越靠近空间电荷区越高的态势，即沿P⁺N方向的额外空穴密度差ΔPN>0，管压降的正极性就不会改变。这时，反向偏置电压U_R靠外电感L来支撑。但是，当空间电荷区附近的额外空穴即将被抽尽，以致使ΔP_N<0，管压降即变为负极性。这时，流经二极管的反向电流要靠离空间电荷区较远的空穴来维持，而那些地方的空穴密度较低，因而在管压降极性改变之后即ΔP_N<0之后不久，反向电流达到其极大值I_RP，然后迅速下降。从反向电流达到极大值的时刻t₁开始，空间电荷区开始迅速展宽，于是该二极管重新获得对反向电压的阻断能力。

图 2 二极管关断过程中的电流波形（实线）和电压波形（虚线）

由于时刻t₁的电流变化率为di/dt=0，因而此刻电感上的电压迅速下降到零，反向电压U_R直接加在二极管上。然而在时刻t₁之后，由于反向电流的迅速下降在电路电感中产生反向感生电动势，因而二极管电压并不停留在U_R上，而会发生反向过冲，并在时刻t₂附近电流变化率接近于零时过冲至极大值U_RP，随后才由于感生电动势归零而下降至U_R，时间t_rr=t₂-t₀叫做二极管的反向恢复时间。

参考：华伟, 周文定. 现代电力电子器件及其应用[M].清华大学出版社, 2002.