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          二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程與功耗研究

          作者: 時(shí)間:2011-08-02 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          在較高頻率下應(yīng)用的時(shí)候,需要注意除了我們知道的正常的導(dǎo)通狀態(tài)和正常的截至狀態(tài)以外,在兩種狀態(tài)之間,轉(zhuǎn)換中還存在著開(kāi)啟效應(yīng)和關(guān)斷效應(yīng)。中其電流和電壓的變化如圖所示:

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/155967.htm


          ① 開(kāi)啟效應(yīng):表征著二極管由截止過(guò)渡到導(dǎo)通的特性,從反向電壓VR正向?qū)ǎ冎磷罡唠妷篤?P,然后慢慢降低為二極管正向?qū)妷篤F,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為二極管的正向恢復(fù)過(guò)程。這一過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間。開(kāi)啟過(guò)程的過(guò)程是對(duì)對(duì)反偏二極管的結(jié)電容充電,使二極管的電壓緩慢上升,因PN結(jié)耗盡區(qū)的工作機(jī)理,使電壓的上升比電流的上升要慢很多。
          ② 關(guān)斷效應(yīng):表征著二極管由導(dǎo)通過(guò)渡到截止的特性,從二極管正向?qū)妷篤F,跳變至負(fù)向最高電壓VFF,然后反向截止達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)VR的過(guò)程稱(chēng)為二極管的反向恢復(fù)過(guò)程。這一過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為反向恢復(fù)時(shí)間。由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng),二極管正向?qū)〞r(shí),會(huì)存在非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象。在關(guān)斷過(guò)程中存儲(chǔ)電荷消失之前,二極管仍維持正偏的狀態(tài)。為使其承受反向阻斷的能力,必需將這些少子電荷抽掉。反向恢復(fù)時(shí)間分為存儲(chǔ)時(shí)間Ts與下降時(shí)間Tf,存儲(chǔ)時(shí)間時(shí)二極管處在抽走反向電荷的階段,在這段時(shí)間以后電壓達(dá)到反向最大值,二極管可開(kāi)始反向阻斷,下降時(shí)間則是對(duì)二極管耗盡區(qū)結(jié)電容進(jìn)行充電的過(guò)程,直到二極管完全承受外部所加的反向電壓,進(jìn)入穩(wěn)定的反向截止?fàn)顟B(tài)。
          二極管的暫態(tài)過(guò)程就是PN結(jié)電容的充、放電過(guò)程。二極管由截止過(guò)渡到導(dǎo)通時(shí),相當(dāng)于電容充電,二極管由導(dǎo)通過(guò)渡到截止時(shí),相當(dāng)于電容放電。二極管結(jié)電容越小,充、放電時(shí)間越短,過(guò)渡過(guò)程越短,則二極管的暫態(tài)特性越好。
          正向過(guò)程損耗

          這是一個(gè)估計(jì)的結(jié)果
          反向過(guò)程損耗
          計(jì)算方法也是估計(jì)的(這是續(xù)流電路的情況)

          實(shí)際的功率二極管用在不同的地方,其結(jié)果也是并不相同的,按照書(shū)中整流和續(xù)流兩塊去分析,我可能將之整理一下效果較好。感興趣的同志們可以去看看,挺詳細(xì)和詳實(shí)的一本書(shū)。
          整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程,實(shí)質(zhì)上,就是認(rèn)為對(duì)結(jié)電容進(jìn)行操作。如果沒(méi)有電容,整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程是非常理想的,也就等效成為一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)了。
          補(bǔ)充(引用網(wǎng)上不明作者的圖和過(guò)程分析):
          由于二極管外加正向電壓時(shí),載流子不斷擴(kuò)散而存儲(chǔ)的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時(shí)P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散,N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散,這樣,不僅使勢(shì)壘區(qū)(耗盡區(qū))變窄,而且使載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ),在P區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子,而在N區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴,它們都是非平衡少數(shù)載流子,如下圖所示。

          空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后,并不是立即與N區(qū)中的電子復(fù)合而消失,而是在一定的路程LP(擴(kuò)散長(zhǎng)度)內(nèi),一方面繼續(xù)擴(kuò)散,一方面與電子復(fù)合消失,這樣就會(huì)在 LP范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴,并建立起一定空穴濃度分布,靠近結(jié)邊緣的濃度最大,離結(jié)越遠(yuǎn),濃度越小。正向電流越大,存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多,濃度分布的梯度也越大。我們把正向?qū)〞r(shí),非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。
          當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)P區(qū)存儲(chǔ)的電子和N區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失,但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少:
          ① 在反向電場(chǎng)作用下,P區(qū)電子被拉回N區(qū),N區(qū)空穴被拉回P區(qū),形成反向漂移電流IR,如下圖所示;
          ② 與多數(shù)載流子復(fù)合。

          在這些存儲(chǔ)電荷消失之前,PN結(jié)仍處于正向偏置,即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄,PN結(jié)的電阻仍很小,與RL相比可以忽略,所以此時(shí)反向電流IR= (VR+VD)/RL。VD表示PN結(jié)兩端的正向壓降,一般 VR>>VD,即 IR=VR/RL。在這段期間,IR基本上保持不變,主要由VR和RL所決定。經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后P區(qū)和N區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已顯著減小,勢(shì)壘區(qū)逐漸變寬,反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值,經(jīng)過(guò)時(shí)間tt,二極管轉(zhuǎn)為截止。由上可知,二極管在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過(guò)程,實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的,反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間。

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