為什么會有反向的電壓呢?

1、二極管在開關(guān)過程中的波形為什么會有一個向下的過沖呢?

首先在DCDC電源關(guān)斷輸入與輸出的路徑時，即DCDC電源開關(guān)管關(guān)斷時，電源的電流路徑發(fā)生了變化。變成了如下圖所示：

電流回路

開關(guān)管關(guān)斷時，電感電流不變，電容兩端電壓不變。則電流經(jīng)電感L、電容C、負載R、二極管VD回到電感L左端，形成一個回路。二極管VD正極a為0，經(jīng)二極管VD至b，則b電壓為二極管鉗位電壓-VR。

在開關(guān)管導通瞬間二極管自身的反應又是什么樣的呢?

二極管由轉(zhuǎn)為正向傳導模式轉(zhuǎn)為反向承壓模式時，會讓電流發(fā)生并非立即出現(xiàn)的停止流動情況，這種效應我們稱之為電荷存儲效應。這會導致二極管存在一個關(guān)斷時間，即：反向恢復時間也就是二極管從導通狀態(tài)轉(zhuǎn)換成關(guān)斷狀態(tài)所需的時間。

通常在開關(guān)電源連續(xù)模式反向恢復過程中，二極管流過較大的反向電流同時承受了較大的反向電壓，因此造成了很大的反向恢復損耗，所以一般選反向恢復時間越短的越好，在電壓應力較低的情況下肖特基是首選。常用的SiC二極管通常就是肖特基結(jié)構(gòu)，反向恢復時間遠低于PIN二極管。

產(chǎn)生反向恢復過程的原因——電荷存儲效應

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時，P區(qū)空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)電子向P區(qū)擴散，這樣，就使載流子有相當數(shù)量的存儲，在P區(qū)內(nèi)存儲了電子，而在N區(qū)內(nèi)存儲了空穴 ，它們都是非平衡少數(shù)載流于，如下圖所示。

電荷存儲

空穴由P區(qū)擴散到N區(qū)后，在一定的路程LP(擴散長度)內(nèi)，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在LP范圍內(nèi)存儲一定數(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，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到P區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。

電荷分布

當輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時P區(qū)存儲的電子和N區(qū)存儲的空穴將通過下列兩個途徑逐漸減少：

① 在反向電場作用下，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;

反向漂移電流

②與多數(shù)載流子復合。

在這些存儲電荷消失之前，PN結(jié)仍處于正向偏置，即勢壘區(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)過時間ts后P區(qū)和N區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(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)過時間tt，二極管轉(zhuǎn)為截止。

由上可知，二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復過程，實質(zhì)上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。

根據(jù)電荷存儲效應應該如何選擇二極管呢?

二極管和一般開關(guān)的不同在于,“開”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定, 而且“開”態(tài)有微小的壓降V f,“關(guān)”態(tài)有微小的電流i0。當電壓由正向變?yōu)榉聪驎r, 電流并不立刻成為(- i0) , 而是在一段時間ts內(nèi), 反向電流始終很大, 二極管并不關(guān)斷。經(jīng)過ts后, 反向電流才逐漸變小, 再經(jīng)過tf時間, 二極管的電流才成為(- i0) , 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(xù)脈沖下當做開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時間比tr短, 則二極管在正、反向都可導通, 起不到開關(guān)作用。

反向恢復時間