在本文中，我们通过QSPICE仿真来研究功率二极管的电子行为。这类元件允许通过大电流，其最重要的功能是仅允许电流单向流动，而在相反方向则阻断电流。尽管功率二极管非常坚固，但不当使用可能会损害其完整性，尤其是在超过其最大工作条件时。本篇主要关注开关功耗，这是当前所有电力系统中极其重要的一个方面。

什么是功率二极管?

功率二极管是一种由两个端子(阳极和阴极)组成的无源器件。当正向偏置时，它只允许电流单向流动。某些类型的二极管可以承受数千安培的电流和数千伏特的电压，例如在汽车和铁路应用中。

二极管有几种类型，例如整流二极管和肖特基二极管，它们也可以连接成桥式配置。对于低频或直流应用，可以使用通用二极管。当需要低电压降时，会使用肖特基二极管;然而，它们的最大反向电压是有限的。对于高速应用，建议使用“快速恢复”二极管，它具有极短的反向恢复时间。反向恢复时间是指从电流通过零点的瞬间到反向电流下降到其最大峰值25%的瞬间之间的时间间隔。

反向恢复

在大多数功率电路中，二极管在交流电下工作。在这种情况下，二极管由于其结电容而表现出独特的特性，结电容取决于半导体材料和二极管的几何结构。

反向恢复时间是指从反向电流开始在二极管中流动的瞬间到它达到零(或达到预设的参考电平)的瞬间之间的时间间隔。在此间隔内，反向电流增长到一个最大的负值，然后衰减，完成清除结内存储电荷的过程。当施加在二极管上的电压从正向变为反向时，元件不会立即关断;而是需要一定的时间来完成这个转变。

电流反向流动的这段时间被称为反向恢复时间(见图1)。这个参数也可以指示从正向偏置状态转换到反向偏置状态所需的时间。

图1

设计者的工作就是通过选择尽可能快的元件来最小化这个时间。设计系统时必须通过分析功率二极管的行为来进行，同时也需考虑电磁兼容性方面。

不幸的是，为了提高开关频率以实现设备小型化，会对反向恢复时间产生负面影响。当从开通切换到关断时，存储的电荷必须被释放，而这不可能在零时间内完成。在这种交变状态下，二极管的响应存在一定的延迟。

在开通-关断切换期间，二极管会在一定时间内保持导通状态。因此，反向恢复时间就是使导电状态稳定在反向偏置下所需的时间，它类似于电容器在放电过程中的行为。

因此，二极管能使用的频率是有限制的。如果开关过于迅速，残余的反向电流脉冲可能触发振荡，产生电磁干扰问题。一些解决方案可能包括降低开关频率、减少电流路径上的电感，以及使用具有最快恢复速度的二极管。

测试电路与仿真

该原理图展示了一个用于分析开关条件下功率二极管动态行为的最小化解决方案。它包含以下组件：

· V2：定义为脉冲波形的交流电压源(0V 12V 0 1us 1us 500us 1000us);

· D1：ROHM DRRD20TJ10S 二极管;

· R1：1 kΩ 电阻负载。

方波(0 V-12 V)频率为 1 kHz，占空比为 50%，边沿相当快(1 μs)。“.plot I(R1)”指令显示了流经电阻 R1(也就是流经 D1)的电流波形图。仿真持续时间为 10 ms。该电路用于测试二极管在开关模式下的性能。二极管的SPICE模型是从元件库中导入的。

图1中的两个图显示了负载R1上的电流(等于二极管电流)，分别采用两种不同的时间尺度。上图提供了从0 ms到4 ms的整体视图，显示了R1上遵循1 kHz矩形波形的电流，这与电压源一致。

在正向导通时，约有11.4 mA的电流流过二极管;而在反向导通时，当然没有电流流过，因为二极管处于截止状态。电流值约为：

I = (12V - 0.62V) / 1kΩ = 11.38mA

在开通-关断的边沿处，出现了一个小的负峰值;这就是二极管的反向恢复电流。在那一瞬间，结区仍然带电，必须消除存储的电荷。

图1中的下图显示了同一事件，但是放大了的视图。当电压降至0 V时，二极管进入反向偏置状态，出现约 -600 μA 的负向电流，恢复时间约为 50 μs(在此例中)。由于极性反转后二极管仍然导通，电流瞬间从正变为负，并在一定时间内保持负值，然后衰减到零。

理论上，这个时间是无限的，但在实践中，它会变得非常小以至于无法区分。瞬态过程结束后，电流返回到零，二极管完全关断，只剩下极低的残余电流(寄生电容)。

在高功率应用中，同样的现象变得真正棘手，会产生巨大的电流尖峰、电磁干扰生成、mosfet应力增加以及动态损耗。反向恢复时间取决于许多因素，例如：

· 二极管的类型

· 正向电流的初始值

· 正向偏置电压的初始值

· 与二极管串联的负载值

· 结电容

如果已知恢复时间，就可以确定电路的最大开关频率。换句话说，二极管能使用的开关速度或频率是有限制的。

在测试电路中，计算出的效率为94.8%，但能量损耗不仅由恢复时间引起，还由阳极和阴极之间的电压差引起，如图2的波形图所示。然而，即使在静态系统中，也会因阳极和阴极之间的电位差而产生功率损耗。在这种特定情况下，对于所采用的二极管和电路，该差值约为620 mV。

图2

反向恢复时间要素

多数载流子通过二极管的流动不会在极性反转时立即停止。事实上，它需要一段有限的时间才会停止。在这段恢复时间内，会有相当大量的电流流过二极管，但是方向相反(Irr)。如图3所示，反向恢复阶段的时间要素如下：

· 存储时间 (Ts)：这是紧随关断时刻(T1时间点)之后的时间间隔，在此期间二极管会流过反向电流。在这个阶段，二极管虽然已经承受反向电压，但仍然表现为短路。在Ts期间，反向电流保持在其最大负值附近。

· 渡越时间 (Tt)：这是Ts之后的一段时间，在此期间反向电流从最大负值逐渐减小到零(或减小到指定的参考电平，例如Irr的25%)。在这个阶段，残余电荷被完全抽出，结区恢复其阻断能力。二极管实际切换到关断状态。

· 反向恢复时间 (Trr)：这是极性反转后二极管完全关断所需的总时间。它被定义为 Trr = Ts + Tt，即存储时间和渡越时间之和。实际上，它衡量了在关断指令之后，二极管继续流过反向电流的时间有多长。

图3

如今，制造商们正在寻找“无反向或正向恢复”的二极管，即那些在导通期间不积累少数载流子电荷，因此不受反向恢复影响的二极管。

实际上，完美的二极管并不存在，但最新的技术已经非常接近这种特性，并被用于最大限度地减少开关损耗和最大限度地提高效率。例如，肖特基结二极管就是其中一种器件，其结区没有少数载流子电荷的积累，因此恢复时间几乎为零，因为当二极管从开通切换到关断时，没有电荷需要移除。此外，它们可以承受超过650 V的电压。

反向恢复的持续时间在很大程度上取决于施加在功率二极管上的电压，如图4所示。

图4

总结

在本篇中，我们分析了功率二极管的动态行为，重点阐述了反向恢复如何成为现代开关应用中的主要限制因素之一。通过QSPICE仿真，我们清晰地观察到了反向电流瞬变过程、特征时间及其对开关损耗的直接影响。我们注意到，当电压极性反转时，二极管并非立即关断，而是需要一段有限的时间来释放存储的电荷，从而产生电流尖峰、能量耗散以及电磁干扰和对有源器件造成应力等不良影响。

除了反向恢复之外，阳极-阴极之间的电压降也会导致电路的总损耗，即使在静态条件下也会影响系统的效率。因此，二极管的选择、开关频率和电路布局变得至关重要。现代技术，特别是肖特基二极管和宽禁带器件，能够显著减少反向恢复时间并提高效率。