功率二极管的反向恢复时间及反向漏电流特性

功率二极管是不可控器件，结构简单，工作可靠，额定电压与额定电流都较高，目前仍然大量应用于许多电气设备中。

功率二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，图8-4给出了功率二极管的结构（a）、电气图形符号（b）以及外形图。从外形看，早期主要有螺栓型（c）和平板型（d）两种封装，现都已采用模块化封装（e）。

1.功率二极管的基本特性

（1）静态特性

功率二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图8-5所示。当功率二极管承受的正向电压达到一定值（门槛电压U_TO），正向电流I_A才开始明显增加。与正向电流I_A对应的功率二极管两端的电压U_A为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压U_B时，只有少子引起的微小而数量恒定的反向漏电流。

（2）动态特性

因为PN结之间结电容的存在，功率二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的静态伏安特性来描述。

图8-3 VSI各电气部件及电气连接示意图

图8-4 功率二极管

图8-6a给出了功率二极管由正向偏置转换为反向偏置时的动态过程波形。处于正向导通状态的功率二极管的外加电压在t_F时刻由正向突然变为反向时，正向电流在反向电压的作用下开始下降，直至正向电流为零（时刻t₀）。此时功率二极管在PN结两侧储存的大量少子并没有恢复反向阻断能力，所以仍处于导通中，故而会出现反向电流并在t_d的时间内迅速下降为I_RP。在外电路电感的作用下导致功率二极管两端产生了较外加反向电压（U_R）大得多的反向电压过冲U_RP。在电流变化率接近零的t₂时刻，功率二极管两端承受的反向电压才降至外电压的大小，功率二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。图8-6中阴影部分代表了反向恢复电荷Q_rr，时间t_d=t₁-t₀称为延迟时间，t_f=t₂-t₁称为电流下降时间，t_rr=t_d+t_f称为功率二极管的反向恢复时间。其下降时间与延迟时间的比值t_f/t_d称为恢复系数（用S_r标记）。S_r越大则称恢复特性越软，实际上就是反向电流下降时间相对较长，因而在同样的外电路条件下造成的反向电压过冲U_RP较小。

图8-5 功率二极管的伏安特性

图8-6 功率二极管的关断过程与导通过程

a）关断过程 b）导通过程

图8-6b给出了功率二极管由零偏置转换为正向偏置的u、i动态波形。可以看出，在这一动态过程中，功率二极管的正向压降也会先出现一个过冲U_FP，经过一段时间后才趋于接近稳态压降（如2V），这一动态过程时间被称为正向恢复时间t_fr。

功率二极管的主要参数有：正向平均电流、正向压降、反向重复峰值电压、最高工作结温、浪涌电流等。普通的功率二极管多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，其反向恢复时间较长，一般在5μs以上，其正向电流定额和反向电压定额均可以达到很高。例如DD89N反向重复峰值电压1800V、正向平均电流89A、正向压降1.5V、浪涌电流2400A、最高工作结温150℃、反向漏电流20mA。(www.xing528.com)

2.快恢复二极管

快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中间增加了基区I，构成P-I-N硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很少，不仅大大减小了t_rr值，还降低了瞬态正向压降，使器件能承受很高的反向工作电压。

FRD一般有0.8～1.1V的正向导通压降，几百纳秒的反向恢复时间，正向电流是几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百到几千伏。在导通和截止之间迅速转换，提高了器件的使用频率并改善了波形。FRD在制造工艺上采用掺金、单纯的扩散等工艺，可获得较高的开关速度，同时也能得到较高的耐压。目前，FRD主要作为续流二极管或整流管广泛应用于开关电源、不间断电源（UPS）、交流电动机变频调速（VVVF）、高频加热等装置中。

超快恢复二极管（Ultra Fast Recovery Diode）的反向恢复电荷进一步减小，使其t_rr可低至几十纳秒。例如INFINEON公司的600V、30A的快恢复二极管IDB30E60，正向压降1.5V，反向恢复时间约180ns，反向峰值电流约20A，反向恢复电荷约2000nC。

3.肖特基二极管

肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属-半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。SBD的反向恢复时间很短（10～40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；其正向压降比较小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小。但SBD能承受的反向耐压比较有限，反向漏电流较大且为正温度特性，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须严格限制其工作温度，防止出现热失控。SBD更适合在低压、大电流输出场合用于高频整流。例如MOTOROLA公司的100V、20A的MBR20100CT。

4.碳化硅肖特基二极管（SiC SBD）

碳化硅（SiC）是一种由硅（Si）和碳（C）的化合物构成的半导体材料，被认为是一种超越Si极限的功率器件材料。由于SiC的绝缘击穿场强更高（Si的10倍），因此与Si器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的漂移层制作出600V～数kV的高耐压功率器件。高耐压功率器件的阻抗主要由漂移层的阻抗组成，因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。理论上，相同耐压的器件，SiC单位面积的漂移层阻抗可以降低为Si的1/300。为了改善高耐压化引起的导通电阻增大的问题，Si材料器件主要用来制造少数载流子器件（如IGBT等），却存在开关损耗大的问题，较高的发热限制了器件工作频率。SiC材料能够以高频器件结构的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和MOSFET）去实现高耐压，从而同时实现高耐压、低导通电阻、高频这三个特性。另外，由于SiC材料的带隙较宽（Si的3倍），因此即使在高温下也可以稳定工作（目前受到器件封装的耐热可靠性限制，工作温度为150℃～175℃）。

（1）反向恢复特性

Si材料的FRD从正向切换到反向的瞬间会产生极大的瞬态电流，从而产生很大的损耗。正向电流越大，或者温度越高，恢复时间和恢复电流就越大，从而损耗也就越大。与此相反，SiC材料的SBD是不使用少数载流子进行电传导的多数载流子器件，因此原理上不会发生少数载流子积聚的现象。由于只产生使结电容放电的小电流，所以能明显地减少损耗。而且，该瞬态电流基本上不随温度和正向电流而变化，所以不管何种环境下，都能够稳定地实现快速恢复，如图8-7所示。另外，还可以降低由恢复电流引起的高频噪声，达到降噪的效果。

图8-7 SiC二极管的反向恢复特性

（2）温度依赖性

SiC SBD的温度依赖性与Si FRD不同，如图8-8所示。Si FRD呈现负温度系数，不宜并联使用。在较大电流下，SiC SBD呈现正温度系数，温度越高，它的导通阻抗就会增加，U_f值也增加，不易发生热失控，较适宜并联使用。表8-1给出了几种典型的功率二极管的主要参数。

图8-8 Si FRD与SiC SBD在不同温度下的伏安特性曲线

表8-1 几种典型功率二极管的主要参数