二极管的瞬态特性，提高知识40
对于功率二极管，除了关注功率损失和反向阻断外，其在导通和关闭过程中的瞬态特性也不容忽视，在某些情况下甚至会上升为主要问题。
在从断态到稳定导通状态的过程中，电源二极管的正向电压首先会随着电流的增加而过冲，然后逐渐趋于稳定，如图1所示。主要有两种物理机制，一种是阻性机制，另一种是感性机制。阻性机制是指少数载流子输入的电导调制。以P N以二极管为例，在导通初期，二极管的电阻主要来自低掺杂N区的欧姆电阻，其值较高且常量较大，因此管压降随电流的升高而升高。然而，当电流上升到一定值时，少数载流子空穴注入并积累在低混合N区，使其电阻率显著降低，即电导调制。随着正电流的上升，电导调制降低了N区的有效电阻，降低了管道压降，形成了峰值UFP。感知机制是指随着时间的推移，正电流在设备的内部电感上产生压降。当正电流逐渐稳定时，电感压降只存在于电流上升过程中。峰值压降是由于降，峰值压降UFP必须是电流上升率di/dt的函数，di/dt越大，UFP也就越高。UFP阻性分量仅为di/dt起主要作用的时间较小。除了描述二极管开通过程的特征参数外，di/dt和UFP此外，还有一个时间常数，称为正恢复时间tfr，参照图1，tfr定义为正向电压从零经极值UFP降至接近稳态压降的瞬态值所需的时间。
图 1 二极管导通时的电压过冲现象
当添加到二极管上的偏置电压的极性从正向转向反向时，二极管不能立即关闭，而是必须在短时间内重新获得反向阻断并进入关闭状态。关闭前会出现明显的反向电流，并伴有明显的反向电压过冲。这是因为正向导通是在PN少数载流子在结的两侧积累。电流波形和电压波形如图2所示。自始至终关闭过程tF此时，添加到二极管上的偏置电压反向，正电流IF以速率diF/dt下降，其值由开关电路的外电感L和反向电压UR决定，即：
对P N对于结型二极管，随着电流的减少，储存在高阻N区域的额外孔隙的电导调制作用被削弱，加上设备内部电感的作用，管压降UF即使在电流中没有明显的变化IF为零的时刻t0只有轻微下降，仍然是正电压。事实上，只要N区额外空穴的密度仍然越接近空间电荷区，即沿线P N额外空穴的密度差ΔPN>管压降的正极性不会改变。此时，反向偏置电压UR由外电感L支撑。然而，当空间电荷区附近的额外空穴即将抽出时，就会导致ΔPN<管压降为负极性。这时，流经二极管的反向电流要靠离空间电荷区较远的空穴来维持，而那些地方的空穴密度较低，因而在管压降极性改变之后即ΔPN<0后不久，反向电流达到了极大值IRP，然后迅速下降。当反向电流达到极大值时t一开始，空间电荷区开始迅速扩大，因此二极管重新获得阻断反向电压的能力。
图 2 电流波形(实线)和电压波形(虚线)
由于时刻t1.电流变化率为di/dt=0，所以此刻电感上的电压迅速下降到零，反向电压UR直接添加到二极管上。然而在时刻t1后，由于反向电流在电路电感中迅速下降，产生反向感生电势，二极管电压不会停留UR上，反向过冲会发生，并且会随时发生t附近的电流变化率接近于零时过冲的极大值URP，后来，由于感应电势归零，它下降到了UR，时间trr=t2-t0称为二极管的反向恢复时间。
参考:华伟， 周文定. 现代电力电子器件及其应用[M]. 清华大学出版社， 2002.