功率二極管反向恢復特性模擬研究

彭進

(溫州大學 浙江 溫州 325035)

二極管的反向恢復過程決定了二極管的許多重要性能，如二極管反向恢復時間決定了二極管的頻率特性；二極管的軟度因子決定了二極管的壽命等等。Benda.H[1]分析研究了不同基區類型Si功率二極管的反向恢復特性，探討了空間電荷區內電場和載流子濃度的空間變化情況并通過實驗得到驗證；Bellone,S[2]提出了一種4H-SiC p-i-n二極管的反向恢復分析模型,得到基區載流子的分布、電流及電壓隨時間的變化情況，模擬結果與實驗吻合。二極管的反向恢復分兩種：階躍反向恢復和線性反向恢復，階躍反向恢復是在二極管電路中串聯電阻性負載；線性反向恢復是在二極管電路中串聯電感性負載。本文用線性反向恢復理論分析二極管的反向瞬態過程。線性反向恢復的基本過程是首先給二極管加正向導通電壓 Vf，使它達到穩定狀態，然后在電路中加反向電壓Vr，測出這一過程中電流-時間/電壓-時間關系圖，當然也可以在未到達正向穩態就使電壓變為 Vr，研究其反向恢復過程[3]。

1 二極管反向恢復模型

圖1為典型的二極管反向恢復電流電壓變化圖。如圖所示，將二極管反向過程劃分為3個不同的時間區間，不同區間的電流電壓表達式如（1）～（10）所示[4]。

圖1 二極管反向恢復電流電壓變化示意圖Fig.1 The diagram of the current and the voltage for diode reverse recovery

在 t0＜t＜ t1時間段：

在t1＜t＜t2時間段：

在t2＜t＜t3時間段：

由以上各式，在將trr和IrrM作為已知變量的條件下，根據表1所設參數得到二極管反向恢復電流變化如圖2所示。從圖2可以看出模擬結果與典型的二極管反向恢復電流電壓變化曲線吻合度較高。

表1 Si p-i-n二極管電流電壓變化模擬參數Tab.1 The parameters of current and voltage for Si p-i-n diode

圖2 二極管反向恢復電流電壓變化圖Fig.2 The diode reverse recovery current and voltage

2 不同二極管參數對I D-t曲線的影響

trr：反向恢復所用時間，包括存儲時間ts和恢復時間tr，trr=ts+tr，反向恢復時間是用來掃出存儲在基區的過剩少數載流子(簡稱少子)的，它取決于存儲在基區的少數載流子（空穴）的數量和少數載流子（空穴）被掃出的速度（當少子所剩不多時，復合速率決定了基區所剩少子的存儲時間），少子存儲量由正向電流If決定,少子掃出速度由反向電流Ir決定，關于trr的表達式，不同模型條件下表述不一，本文采用通過電荷控制計算法得到的trr的表達式[5]，如式（11）。

式中 τ：基區少子壽命；If：正向電流；Ir：反向電流。

圖3，圖5分別為不同trra和trrb時二極管反向恢復電流的變化圖。圖3顯示隨著trrb的增大，曲線只向右移動，表明反向恢復最大電流IrrM跟trrb無關；圖5顯示隨著trra的增大，曲線向右并且向下移動，表明反向恢復最大電流IrrM隨著trra增大而增大，不同的trra二極管反向恢復最大電流不同 。圖4是IrrM與trra、trrb的關系圖。從圖4可以很明顯的看出：IrrM與trra成線性增加關系，而不同trrb，IrrM保持一恒定值。從圖1可以看出IrrM出現在trra的最后時刻，在此之前Ir不斷增加，在此之后Ir不斷減小，t2時刻出現最大值，所以 trra越長 IrrM越大，IrrM與trrb無關。

圖3 I D隨t rrb的變化圖Fig.3 The reverse recovery current for different t rrb

圖 4 I rrM 與 t rra、t rrb的關系圖Fig.4 The most reverse recovery current vs t rra,t rrb

圖5 I D隨t rra的變化圖Fig.5 The reverse recovery current for different t rra

圖6 為不同If時二極管反向恢復電流的變化圖。圖6顯示隨著If的減小，IrrM與trra都減小。正向電流影響基區載流子存儲量，進而影響基區載流子存儲時間，減小正向電流，基區載流子存儲量減小，掃出這些載流子所需時間減小，即trra減小。

圖6 I D隨I f的變化圖Fig.6 The reverse recovery current for different I f

IrrM：反向恢復電流最大值，當對處于正向導通的二極管外加反向偏壓后，由于外電路中電感的存在，二極管的電流并不即刻變成反向而是從正向電流If開始以速率dIf/dt減小，過渡為零，然后反向以速率dIr/dt增大，只要基區存儲的少子能夠“支持”反向電流，反向電流就一直增大，能夠“支持”表示二極管還處于正偏，二極管耗盡層還未開始擴展，隨著基區存儲少子的不斷減小，耗盡層開始擴展，二極管回歸零偏，二極管電流以越來越小的增大速率dIr/dt增大，直到最大值IrrM，隨著基區存儲少子的不斷掃出，耗盡層不斷擴展，二極管開始反偏，電壓逐漸反向增大，二極管電流逐漸反向減小。IrrM的表達式如式（13）所示[6]。

式中 Vr：二極管反向最終電壓；S：軟度因子；L：外電路電感。

圖7為不同t1時間段時二極管反向恢復電流的變化圖。圖7顯示隨著t1的增加，IrrM減小。t1越大，t0~t1時間段曲線斜率越小，即dIf/dt越小，根據（13）式IrrM越小。

圖7 I D隨t1的變化圖Fig.7 The reverse recovery current for different t1

3 二極管反向恢復損耗

二極管反向恢復過程中有相對較大的損耗，其值可通過在整個時間段內對電流電壓的積分計算得到，表達式如（14）

圖8為 Woff與Vf、If的關系圖。隨著正向電壓Vf、正向電流If的增加，損耗增加。

4 結論

圖 8 W0ff與 V f、I f的關系圖Fig.8 The reverse recovery loss W off vs V f,I f

本文通過一種二極管反向恢復模型模擬得到二極管反向恢復電流/電壓隨時間的變化關系圖，模擬結果與已有結果吻合。通過控制變量得到不同二極管參數對反向恢復電流的影響，反向恢復最大電流IrrM隨著trra增大而增大，跟trrb無關；隨著If的減小，IrrM與trra都減小；正向電流上升速率dIf/d t越小，IrrM越小。文中最后還計算了二極管反向恢復功率損耗，隨著正向電壓Vf、正向電流If的增加，損耗增加。

[1]Benda H,Spenke E.Reverse recovery processes in silicon power rectifiers[J]Proceedings of the IEEE.1967,55(8):1331-1354.

[2]Bellone S,Della Corte F G,Di Benedetto L,et al.An analytical model of the switching behavior of 4H-SiC p-n-n diodes from arbitrary injection conditions[J].Power Electronics，2012,27(3):1641-1652.

[3]Pendharkar S P,Trivedi M,Shenai K.Dynamics of reverse recovery of high power P-i-N diodes[J].Electron Devices，1996,43(1):142-149.

[4]Rajapakse A D,Gole A M,Wilson P L.Electromagnetic transients simulation models for accurate representation of switching losses and thermal performance in power electronic systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2005,20(1):319-327.

[5]楊勝榮.摻鉑超快恢復二極管制備技術及特性的研究[D].武漢華中科技大學,2007.

[6]王俊.局域鉑摻雜功率快恢復二極管的研究[D].北京 北京工業大學,2004.