正向恢复时间
正向恢复时间的定义:从二极管反向截止状态到指定的正向导通状态所需要的时间。
正向恢复时间产生的原因:
二极管导通时两端的电压如图
可以看到在二极管的到通过程中有一个十分明显的电压过程。
这个现象的成因:
主要在恒流负载的驱动下,假设电流比较大,阶跃速度比较快。此时由于二极管尚未完全导通,导致阻抗较高,因此会引起比较高的正向压降,在做大电流,快速阶跃的应用时应当注意这种现象。
对于在二极管导通的过程中阻抗的成因有两部分,主要因素是因为在PN结中,电子的漂移速度是有限的,因此无法响应瞬间加载到二极管两端的偏置电压,另一方面则是因为寄生电感的影响。
但是我们在实际使用的过程中很难观测到这种现象。一方面是因为我们驱动二极管的时候大多时恒压源驱动的,很少有恒流源的情况,另一方面,能够达到ns级别响应的恒流源也不常见,因此在实际二极管的使用过程中很难观测到这种现象
反向恢复时间
反向恢复时间的定义:在正向电流按照指定的斜率衰减的条件下,二极管从正向导通到反向截止电流达到指定水平的时间。
二极管的反向恢复产生的原因:
二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程,实质上由于电荷存储效应引起的,反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。
反向恢复过程:
在图1所示的二极管电路中,加入一个如图2所示的输入电压。即在 0~t1 时间内,输入为 +VF,二极管导通,电路中有电流流过。
假设二极管的正向压降为 VD,当 VF 远大于 VD 时,VD 可忽略不计;如果在 t1 时刻,输入V1 突然从 +VF 变为 -VR,在理想情况下,二极管将即刻变为截止状态,电路中只有很小的反向漏电流。
但在实际情况中,二极管并不会立即变为截止状态,而是先有正向的 IF 变为一个很大的反向电流 IR = VR/RL,这个反向电流会维持一段时间 ts 后才开始逐渐下降,再经过 tt 时间后,下降到一个很小的数值 0.1*IR,这时二极管才会进入反向截止状态。该过程如图3所示。
一般将二极管从正向导通变为反向截止的过程成为反向恢复过程,其中 ts 称为存储时间,tt 称为渡越时间,tre =ts +tt 称为反向恢复时间。
二极管的开关速度受到反向恢复时间的限制。
产生上述现象的原因是由于电荷存储效应。
由于二极管外加正向电压+VF 时,P 区的空穴向 N 区扩散,N 区的电子向 P 区扩散,不仅使得耗尽层变窄,而且使得载流子有相当数量的存储,在 P 区内存储了电子,在N 区内存储了空穴,它们都是非平衡少子。
空穴由 P 区扩散到 N 区后,并不是立即与 N 区中的电子复合后消失,而是在一定的路程LP(扩散长度)内,一方面继续扩散,一方面与电子复合消失,这样就会在LP范围内存储一定数量的空穴,并建立起一定的空穴浓度分布,靠近 PN 结边缘的浓度高,离 PN 结越远,浓度越小。
正向电流越大,存储的空穴数目越多,浓度分布的梯度也越大。电子扩散到 P 区的情况类似。
把正向导通时,非平衡少子积累的现象叫做电荷存储效应。
当输入电压突然由+VF 变为-VR 时, P 区存储的电子和 N 区存储的空穴不会马上消失,它们会通过以下两个途径逐渐减少:
1.在反向电场的作用下, P 区电子被拉回 N 区, N 区空穴被拉回 P 区,形成反向漂移电流 IR ;
2.与多数载流子复合消失。
在这些存储电荷消失之前,PN结仍处于正向偏置,即耗尽层仍然很窄,PN结的电阻仍然很小,与 Rl 相比可以忽略,所以此时反向电流IR = VR +VD/RL 。VD表示PN结两端的正向压降,一般有VR >>VD,即IR = VR /RL。
在这段时间,IR基本上保持不变,主要由VR和 Rl决定。经过 ts 时间后,P 区和 N 区所存储的电荷已显著减小,耗尽层逐渐变宽,反向电流 IR 逐渐减小到正常反向饱和电流的数值,经过 tt 时间后,二极管转为截止状态。
由上可知,二极管的反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。如果反向脉冲的持续时间比反向恢复时间 tre =ts +tt 短,则二极管在正、反方向都可以导通,起不到开关的作用。
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