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二极管开关过程与功耗研究

作者:时间:2011-08-02来源:网络收藏

在较高频率下应用的时候,需要注意除了我们知道的正常的导通状态和正常的截至状态以外,在两种状态之间,转换中还存在着开启效应和关断效应。中其电流和电压的变化如图所示:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/155967.htm


① 开启效应:表征着二极管由截止过渡到导通的特性,从反向电压VR正向导通,跳变至最高电压V?P,然后慢慢降低为二极管正向导通电压VF,达到稳定状态的过程称为二极管的正向恢复过程。这一过程所需要的时间称为正向恢复时间。开启过程的过程是对对反偏二极管的结电容充电,使二极管的电压缓慢上升,因PN结耗尽区的工作机理,使电压的上升比电流的上升要慢很多。
② 关断效应:表征着二极管由导通过渡到截止的特性,从二极管正向导通电压VF,跳变至负向最高电压VFF,然后反向截止达到稳定状态VR的过程称为二极管的反向恢复过程。这一过程所需要的时间称为反向恢复时间。由于电荷存储效应,二极管正向导通时,会存在非平衡少数载流子积累的现象。在关断过程中存储电荷消失之前,二极管仍维持正偏的状态。为使其承受反向阻断的能力,必需将这些少子电荷抽掉。反向恢复时间分为存储时间Ts与下降时间Tf,存储时间时二极管处在抽走反向电荷的阶段,在这段时间以后电压达到反向最大值,二极管可开始反向阻断,下降时间则是对二极管耗尽区结电容进行充电的过程,直到二极管完全承受外部所加的反向电压,进入稳定的反向截止状态。
二极管的暂态过程就是PN结电容的充、放电过程。二极管由截止过渡到导通时,相当于电容充电,二极管由导通过渡到截止时,相当于电容放电。二极管结电容越小,充、放电时间越短,过渡过程越短,则二极管的暂态特性越好。
正向过程损耗

这是一个估计的结果
反向过程损耗
计算方法也是估计的(这是续流电路的情况)

实际的功率二极管用在不同的地方,其结果也是并不相同的,按照书中整流和续流两块去分析,我可能将之整理一下效果较好。感兴趣的同志们可以去看看,挺详细和详实的一本书。
整个开关过程,实质上,就是认为对结电容进行操作。如果没有电容,整个开关过程是非常理想的,也就等效成为一个理想的开关了。
补充(引用网上不明作者的图和过程分析):
由于二极管外加正向电压时,载流子不断扩散而存储的结果。当外加正向电压时P区空穴向N区扩散,N区电子向P区扩散,这样,不仅使势垒区(耗尽区)变窄,而且使载流子有相当数量的存储,在P区内存储了电子,而在N区内存储了空穴,它们都是非平衡少数载流子,如下图所示。

空穴由P区扩散到N区后,并不是立即与N区中的电子复合而消失,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,并建立起一定空穴浓度分布,靠近结边缘的浓度最大,离结越远,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。我们把正向导通时,非平衡少数载流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,但它们将通过下列两个途径逐渐减少:
① 在反向电场作用下,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,如下图所示;
② 与多数载流子复合。

在这些存储电荷消失之前,PN结仍处于正向偏置,即势垒区仍然很窄,PN结的电阻仍很小,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 VR>>VD,即 IR=VR/RL。在这段期间,IR基本上保持不变,主要由VR和RL所决定。经过时间ts后P区和N区所存储的电荷已显著减小,势垒区逐渐变宽,反向电流IR逐渐减小到正常反向饱和电流的数值,经过时间tt,二极管转为截止。由上可知,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。

模拟电路相关文章:模拟电路基础




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