二極管反向恢復時間特性與作用詳解及注意事項

反向恢復時間概述

二極管反向恢復時間是如何體現的，下面先了解反向恢復時間，現代脈沖電路中大量使用晶體管或二極管作為開關, 或者使用主要是由它們構成的邏輯集成電路。而作為開關應用的二極管主要是利用了它的通(電阻很小)、斷(電阻很大) 特性, 即二極管對正向及反向電流表現出的開關作用。

二極管和一般開關的不同在于,“開”與“關”由所加電壓的極性決定, 而且“開”態有微小的壓降Vf,“關”態有微小的電流I0。當電壓由正向變為反向時, 電流并不立刻成為(-I0) , 而是在一段時間ts 內, 反向電流始終很大, 二極管并不關斷。

經過ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經過tf 時間, 二極管的電流才成為(-I0) , 如圖1 示。ts 稱為儲存時間,tf 稱為下降時間。tr=ts+tf 稱為反向恢復時間, 以上過程稱為反向恢復過程。

這實際上是由電荷存儲效應引起的, 反向恢復時間就是存儲電荷耗盡所需要的時間。該過程使二極管不能在快速連續脈沖下當做開關使用。如果反向脈沖的持續時間比tr 短, 則二極管在正、反向都可導通, 起不到開關作用。因此了解二極管反向恢復時間對正確選取管子和合理設計電路至關重要。

開關從導通狀態向截止狀態轉變時，二極管或整流器在二極管阻斷反向電流之前需要首先釋放存儲的電荷，這個放電時間被稱為反向恢復時間,在此期間電流反向流過二極管。即從正向導通電流為0時到進入完全截止狀態的時間。

二極管反向恢復時間的反向恢復過程，實際上是由電荷存儲效應引起的，二極管反向恢復時間就是正向導通時PN結存儲的電荷耗盡所需要的時間。假設為Trr，若有一周期為T1的連續PWM波通過二極管，當Trr>T1時，二極管反方向時就不能阻斷此PWM波，起不到開關作用。二極管的反向恢復時間由Datasheet提供。反向恢復時間快使二極管在導通和截止之間迅速轉換，可獲得較高的開關速度，提高了器件的使用頻率并改善了波形。

快恢復二極管反向恢復時間及參數

快恢復二極管反向恢復時間特性決定著功率變換器的性能，在雙極功率晶體管的電流下降時間大于1us（開通時間約100ns）時期，二極管的反向恢復在雙極功率晶體管的開通過程中完成，而且雙極功率晶體管達到額定集電極電流的1/2-2/3左右后隨著Ic上升Hfe急劇下降，限制了二極管的反向恢復電流的峰值，在某種意義上，也限剬了di/dt，雙極功率晶體管的開通過程掩蓋了二極管的反向恢復特性，因而對二極管的反向恢復僅僅是反向恢復時間提出要求。

隨著功率半導體器件的開關速度提高，特別是Power M0SFET、高速IGBT的出現，不僅開通速度快（可以在數十納秒內將MOSFET徹底導通或關斷），而且在額定驅動條件下，其漏極/集電極電流可以達到額定值的5-10倍，使MOS或IGBT在開通過程中產生高的反向恢復峰值電流IRRM，同時M0S或IGBT在開通過程結束后二極管的反向恢復過程仍然存在，使二極管的反向恢復特性完全暴露出來，高的IRRM、di/dt使開關管和快速二極管本身受到高峰值電流沖擊并產生較高的EMT。

因而對二極管的反向恢復特性不僅僅限于反向恢復時間短，而且要求反向恢復電流峰值盡可能低，反向恢復電流的下降，上升的速率盡可能低，即超快、超軟以降低開關過程中反向恢復電流對開關電流的沖擊，減小開關過程的EMI。

1、反向恢復參數與應用條件

一般的超快速二極管的反向時間定義為小于100ns，高耐壓超快恢復二極管的反向恢復時同trr比低耐壓的長，如耐壓200V以下的超快恢復二極管的典型反向恢復時間在35ns以下，耐壓600V的典型反向恢復時間約75ns，耐壓1000V的超快恢復二極管的典型反向恢復時間約100-160 ns。各生產廠商的產品的反向恢復特性（主要是反向恢復時間trr和反向恢復峰值電流IRRM）是不同的。

A、trr與If和di/dt的關系

trr與If和di/dt的關系如下圖所示：

rr與If和-di/dt的關系

從圖中可見，隨著二極管的正向電流lf的增加反向恢復時間trr隨著增加：di/dt的增加，反向恢復時間trr減小。因此，以測試小信號開關二極管的測試條件IF=IR=10ma為測試條件的反向恢復時間不能如實表現實際應用情況：以固定正向電流（如1A）為測試條件也不能在實際應用中得到客觀再現；不同電流檔次以其額定正向電流或其1/2為測試條件則相對客觀。

B、二極管反向恢復時間與反向電壓的關系

二極管反向恢復時間隨反向電壓增加，如果600V超快恢復二極管在反向電壓為30V時，反向恢復時間為35ns，向反向電壓為350V時其反向恢復時間增加，因此，僅從產品選擇指南中按所給的反向恢復時間選用快速二極管，如反向電壓的測試條件不同，將導致實際的反向恢復時間的不同，應盡可能的參照數據手冊中給的相對符合測試條件下的反向恢復時間為依據。

C、反向恢復峰值電流IRRM

反向恢復峰值電流IRRM隨-di/dt增加，因在不同-di/dt的測試條件下，IRRM的幅值是不同的。

IRRM隨反向工作電壓上升，因此額定電壓為1000V的快速二極管，在相同的-di/dt條件下，但反向工作電壓不同時（如500V與1000V）則IRRMM是不能相比較的。

D、結溫T的影響

反向恢復時間trr隨工作結溫上升，結溫125 時的反向恢復時間是結溫25時的近2倍。反向恢復峰值電流IRRM隨工作結溫上升，結溫125時的反向恢復峰值電流是結溫25時的近1.5倍。反向恢復電荷Orr隨工作結溫上升，結溫125時的反向恢復電荷是結濕25時的近3倍以上。

E、反向恢復損耗

二極管的反向恢復損耗是在反向恢復過程的后半部分t1-t2期間，其損耗的大小與IRRM和t1-t2的大小有關，在人極管的反向恢復過程中，而開關管的開通損耗始終存在。很明顯，快速反向恢復二極管的反向恢復損耗與開關管的開通損耗隨IRRM和反向恢復時時間增加。

F、IRRM、反向恢復損耗及EMI的減小

在實際應用中快速反向恢復二極管的反向恢復過程將影響電路的性能，為追求低的反向恢復時間，可能會選擇高的di/dt，但會引起高的IRRM、振鈴、電壓過沖和高的EMI并增加開關損耗。

若適當減小di/dt可降低IRRM、EMI，消除振零和電壓過沖和由此產生的損耗，di/dt的降低是通過降低開關管的開通速度實現，開關管的開關損耗將增加，因此，改變di/dt不能從本質上解決快速反向恢復二極管的反向恢復存在的全部問題，必須改用性能更好的快速反向恢復二極管，即IRRM低、trr短、反向恢復特性軟，通過各種快速反向恢復二極管的數據，可以找出性能好的快速反向恢復二極管。

快恢復二極管模塊已廣泛用于高頻電力電子電路，已成為主要高頻器件之一，它的使用技術比較成熟，快恢復二極管模塊已在高頻逆變焊機，大功率開關電源，高頻逆變型電鍍電源，高頻快速充電器以及高頻調速裝置等場合批量使用。

二極管反向恢復時間注意事宜

二極管反向恢復時間限制了二極管的開關速度，這一點尤其需要注意。

（1）如果脈沖持續時間比二極管反向恢復時間長得多，這時負脈沖能使二極管徹底關斷，起到良好的開關作用；

（2） 如果脈沖持續時間和二極管的反向恢復時間差不多甚至更短的話，這時由于反向恢復過程的影響，負脈沖不能使二極管關斷。所以要保持良好的開關作用，脈沖持續時間不能太短，也就意味著脈沖的重復頻率不能太高，這就限制了開關的速度。

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