二極管恢復(fù)電荷

二極管在關(guān)斷期間的開關(guān)特性如圖1所示。

功率二極管的關(guān)斷特性： a) 電流變化 if ； b) 電壓降vf 的變化； c) 功率損耗的變化

圖 1. 功率二極管的關(guān)斷特性： a) 電流 i f的變化； b) 電壓降v f的變化； c) 功率損耗的變化

如果我們?cè)诙O管上施加反向電壓，則通過二極管的電流將為零，并且由于耗盡層和 p 或 n 層中存在存儲(chǔ)電荷，二極管繼續(xù)沿相反方向傳導(dǎo)。二極管電流流動(dòng)反向恢復(fù)時(shí)間t rr。這是瞬時(shí)正向二極管電流變?yōu)榱愫退矔r(shí)反向恢復(fù)電流衰減至其反向值的 25% 之間的時(shí)間。

時(shí)間T a：耗盡層中儲(chǔ)存的電荷被移除。

時(shí)間T b：從半導(dǎo)體層去除電荷。

 

總恢復(fù)時(shí)間：

TRR=Ta+Tb

峰值反向電流：

IRM=Tadidt

[方程 1]

反向恢復(fù)電荷 Q RRC 是當(dāng)二極管從正向?qū)Ｊ阶優(yōu)榉聪蜃钄嗄Ｊ綍r(shí)流經(jīng)二極管的電荷量。這是由電流路徑在 x 軸下方包圍的面積給出的。

因此，

QRRC?12IRMxTRR

?IRM=2QRRCTRR

[方程 2]

從方程 1 和方程 2 中我們可以得到，

TRRTa=2QRRCdidt

[方程 3]

通常，

Tb<<Ta.

因此，

TRR≈Ta

從方程 3 和方程 4 中我們可以得到，

TRR?√(2QRRCdidt)

[方程 5]

從方程 5 和方程 2 中我們可以得到，

IRM=√(2QRRCdidt)

[公式 6]

從實(shí)際角度來(lái)看，人們更關(guān)心的是 T RR和 I RM，它們顯然取決于存儲(chǔ)電荷 Q RRC以及等式 5 和 6 中反向應(yīng)用的 didt。

從實(shí)際角度來(lái)看，人們更關(guān)心的是 T RR和 I RM，它們顯然取決于存儲(chǔ)電荷 Q RRC以及等式 5 和 6 中反向應(yīng)用的

didt

具有鉗位感性負(fù)載的晶體管開關(guān)

功率三極管

開啟或關(guān)閉期間的時(shí)間延遲是由于少數(shù)載流子達(dá)到合適的密度點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間造成的。其開關(guān)特性是根據(jù)外部負(fù)載電路和基極電流波形來(lái)指定的。采用平基驅(qū)動(dòng)的鉗位電感開關(guān)電路如圖2所示。

開關(guān)電源 BJT 電路

圖 2. 開關(guān)電源 BJT 電路

功率 BJT 的關(guān)鍵點(diǎn)是存儲(chǔ)時(shí)間和開關(guān)損耗。開關(guān)損耗發(fā)生在接通和關(guān)斷期間，并且它們?cè)诳焖匍_關(guān)操作中占主導(dǎo)地位。阻性負(fù)載和感性負(fù)載過渡期間電壓和電流變化的波形如圖 3 所示。

(a) 感性負(fù)載 (b) 阻性負(fù)載關(guān)斷期間電壓和電流的轉(zhuǎn)變

圖 3. (a) 感性負(fù)載 (b) 阻性負(fù)載關(guān)斷期間電壓和電流的轉(zhuǎn)變

功率 BJT 的完整感性負(fù)載開關(guān)特性如圖 3 所示

基極電流應(yīng)足夠高，以確保 BJT 快速導(dǎo)通以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)操作。開機(jī)后應(yīng)保持在一定水平，使其處于飽和狀態(tài)，以盡量減少傳導(dǎo)損耗。與功率二極管的情況一樣，反向恢復(fù)時(shí)間取決于存儲(chǔ)的電荷和電流的斜率。

通過提高基極電流的上升速率，可以縮短功率 BJT 的導(dǎo)通時(shí)間。

感性負(fù)載的功率 BJT 開關(guān)特性

圖 4. 感性負(fù)載的功率 BJT 開關(guān)特性

場(chǎng)效應(yīng)管

如果負(fù)載電流在短持續(xù)時(shí)間的開關(guān)間隔內(nèi)保持恒定并且也是由于感性負(fù)載所致；它可以被認(rèn)為是一個(gè)恒流源。

功率 MOSFET 情況下具有鉗位電感電路的開關(guān)電路如圖 5 所示。柵極由理想的階躍電壓源驅(qū)動(dòng)。此外，二極管被認(rèn)為是理想的，因此不表現(xiàn)出任何反向恢復(fù)特性。

帶鉗位感性負(fù)載的 MOSFET 開關(guān)電路

圖 5. 具有鉗位感性負(fù)載的 MOSFET 開關(guān)電路

當(dāng)施加?xùn)艠O電壓時(shí)，它開始向 V GG上升，時(shí)間常數(shù) = R G (C GS + C GD )

CGS 和 VGD 與 VDS 的變化

圖 6. C GS和 V GD隨 V DS的變化

MOSFET的柵源電容是MOSFET所有內(nèi)部電容中的。 MOSFET 的柵漏傳輸電容在歐姆區(qū)具有較大值，然后在有源區(qū)減小到較小值。上圖清楚地顯示了該電容隨 V DS的變化。功率MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷期間的開關(guān)特性分別如圖7和圖8所示。

功率 MOSFET 的導(dǎo)通特性

圖 7. 功率 MOSFET 的導(dǎo)通特性

功率 MOSFET 的關(guān)斷特性

圖 8. 功率 MOSFET 的關(guān)斷特性

IGBT

帶鉗位感性負(fù)載的 IGBT 開關(guān)電路如圖 9 所示。

鉗位感性負(fù)載的開通和關(guān)斷特性如圖 10 和圖 11 所示。 IGBT 在導(dǎo)通和關(guān)斷期間穿過有源區(qū)。令感性負(fù)載的時(shí)間常數(shù)即T=LR足夠大，以便假設(shè)負(fù)載電流在穩(wěn)態(tài)條件下恒定。

帶鉗位感性負(fù)載的 IGBT 開關(guān)電路

圖 9. 具有鉗位感性負(fù)載的 IGBT 開關(guān)電路

IGBT 導(dǎo)通時(shí)的開關(guān)特性

圖 10. 導(dǎo)通期間的 IGBT 開關(guān)特性

在 IGBT 導(dǎo)通期間，其電壓下降速率在接近結(jié)束時(shí)減慢，因?yàn)榕c MOSFET 相比，pnp 晶體管的輸出跟隨其有源區(qū)的速度更慢。

關(guān)斷期間 IGBT 的開關(guān)特性

圖 11. 關(guān)斷期間的 IGBT 開關(guān)特性

在 IGBT 關(guān)斷期間，由于存儲(chǔ)的多余電荷可能會(huì)產(chǎn)生電流尾部。當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，柵極-發(fā)射極電壓保持在負(fù)值以避免閂鎖。

器件電容：是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)與開關(guān)管并聯(lián)的內(nèi)部電容，如IGBT、MOSFET，如圖5、圖9所示。存儲(chǔ)的能量在開啟過渡期間消失。電容器中存儲(chǔ)的總能量由下式給出：

Ec=n∑i=012CiVi2雜散電感：當(dāng)開關(guān)開始開路時(shí)，這些電感實(shí)際上與開關(guān)串聯(lián)。該存儲(chǔ)的能量在關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間消失。

EL=n∑i=012LiIi2除了導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間的損耗之外，還可能存在由于二極管存儲(chǔ)的電荷、寄生電容、寄生電感和振鈴而導(dǎo)致的開關(guān)損耗。

效率與開關(guān)頻率

功率與存儲(chǔ)的能量乘以頻率成正比。轉(zhuǎn)換器的效率隨著開關(guān)頻率的增加而降低。但是，存在一定的頻率臨界值，效率會(huì)急劇下降。

效率與開關(guān)頻率曲線

圖 12. 效率與開關(guān)頻率曲線