《電子技術(shù)應(yīng)用》
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二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程與功耗研究
摘要: 二極管在較高頻率下應(yīng)用的時(shí)候,,需要注意二極管除了我們知道的正常的導(dǎo)通狀態(tài)和正常的截至狀態(tài)以外,在兩種狀態(tài)之間,,轉(zhuǎn)換過(guò)程中還存在著開(kāi)啟效應(yīng)和關(guān)斷效應(yīng),。
關(guān)鍵詞: 功耗 開(kāi)關(guān) 二極管
Abstract:
Key words :

二極管在較高頻率下應(yīng)用的時(shí)候,需要注意二極管除了我們知道的正常的導(dǎo)通狀態(tài)和正常的截至狀態(tài)以外,,在兩種狀態(tài)之間,,轉(zhuǎn)換過(guò)程中還存在著開(kāi)啟效應(yīng)和關(guān)斷效應(yīng)。二極管在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中其電流和電壓的變化過(guò)程如圖所示:


① 開(kāi)啟效應(yīng):表征著二極管由截止過(guò)渡到導(dǎo)通的特性,從反向電壓VR正向?qū)?,跳變至最高電壓V?P,,然后慢慢降低為二極管正向?qū)妷篤F,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為二極管的正向恢復(fù)過(guò)程,。這一過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間,。開(kāi)啟過(guò)程的過(guò)程是對(duì)對(duì)反偏二極管的結(jié)電容充電,使二極管的電壓緩慢上升,,因PN結(jié)耗盡區(qū)的工作機(jī)理,,使電壓的上升比電流的上升要慢很多。
② 關(guān)斷效應(yīng):表征著二極管由導(dǎo)通過(guò)渡到截止的特性,,從二極管正向?qū)妷篤F,,跳變至負(fù)向最高電壓VFF,然后反向截止達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)VR的過(guò)程稱(chēng)為二極管的反向恢復(fù)過(guò)程,。這一過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為反向恢復(fù)時(shí)間,。由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng),二極管正向?qū)〞r(shí),,會(huì)存在非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象,。在關(guān)斷過(guò)程中存儲(chǔ)電荷消失之前,二極管仍維持正偏的狀態(tài),。為使其承受反向阻斷的能力,,必需將這些少子電荷抽掉。反向恢復(fù)時(shí)間分為存儲(chǔ)時(shí)間Ts與下降時(shí)間Tf,,存儲(chǔ)時(shí)間時(shí)二極管處在抽走反向電荷的階段,,在這段時(shí)間以后電壓達(dá)到反向最大值,二極管可開(kāi)始反向阻斷,,下降時(shí)間則是對(duì)二極管耗盡區(qū)結(jié)電容進(jìn)行充電的過(guò)程,直到二極管完全承受外部所加的反向電壓,,進(jìn)入穩(wěn)定的反向截止?fàn)顟B(tài),。
二極管的暫態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程就是PN結(jié)電容的充、放電過(guò)程,。二極管由截止過(guò)渡到導(dǎo)通時(shí),,相當(dāng)于電容充電,二極管由導(dǎo)通過(guò)渡到截止時(shí),,相當(dāng)于電容放電,。二極管結(jié)電容越小,充,、放電時(shí)間越短,,過(guò)渡過(guò)程越短,則二極管的暫態(tài)開(kāi)關(guān)特性越好。
正向過(guò)程損耗

這是一個(gè)估計(jì)的結(jié)果
反向過(guò)程損耗
計(jì)算方法也是估計(jì)的(這是續(xù)流電路的情況)

實(shí)際的功率二極管用在不同的地方,,其結(jié)果也是并不相同的,,按照書(shū)中整流和續(xù)流兩塊去分析,我可能將之整理一下效果較好,。感興趣的同志們可以去看看,,挺詳細(xì)和詳實(shí)的一本書(shū)。
整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程,,實(shí)質(zhì)上,,就是認(rèn)為對(duì)結(jié)電容進(jìn)行操作。如果沒(méi)有電容,,整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程是非常理想的,,也就等效成為一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)了。
補(bǔ)充(引用網(wǎng)上不明作者的圖和過(guò)程分析):
由于二極管外加正向電壓時(shí),,載流子不斷擴(kuò)散而存儲(chǔ)的結(jié)果,。當(dāng)外加正向電壓時(shí)P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散,N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散,,這樣,,不僅使勢(shì)壘區(qū)(耗盡區(qū))變窄,而且使載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ),,在P區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子,,而在N區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴,它們都是非平衡少數(shù)載流子,,如下圖所示,。

空穴由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)后,并不是立即與N區(qū)中的電子復(fù)合而消失,,而是在一定的路程LP(擴(kuò)散長(zhǎng)度)內(nèi),,一方面繼續(xù)擴(kuò)散,一方面與電子復(fù)合消失,,這樣就會(huì)在 LP范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴,,并建立起一定空穴濃度分布,靠近結(jié)邊緣的濃度最大,,離結(jié)越遠(yuǎn),,濃度越小。正向電流越大,,存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多,,濃度分布的梯度也越大。我們把正向?qū)〞r(shí),,非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng),。
當(dāng)輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)P區(qū)存儲(chǔ)的電子和N區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失,,但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少:
① 在反向電場(chǎng)作用下,P區(qū)電子被拉回N區(qū),,N區(qū)空穴被拉回P區(qū),,形成反向漂移電流IR,如下圖所示,;
② 與多數(shù)載流子復(fù)合,。

在這些存儲(chǔ)電荷消失之前,PN結(jié)仍處于正向偏置,,即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄,,PN結(jié)的電阻仍很小,與RL相比可以忽略,,所以此時(shí)反向電流IR= (VR+VD)/RL,。VD表示PN結(jié)兩端的正向壓降,一般 VR>>VD,,即 IR=VR/RL,。在這段期間,IR基本上保持不變,,主要由VR和RL所決定,。經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后P區(qū)和N區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已顯著減小,勢(shì)壘區(qū)逐漸變寬,,反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數(shù)值,,經(jīng)過(guò)時(shí)間tt,二極管轉(zhuǎn)為截止,。由上可知,,二極管在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過(guò)程,實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的,,反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間,。

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