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深入了解开关电源中的二极管

时间:2018-01-04 来源:

肖特基二极管和快恢复二极管到底区别在哪?

本文引用地址: http://power.21ic.com//poc/technical/201801/59262.html

快恢复二极管从名称上很好理解,肖特基二极管是以人名命名,由于制造工艺完全不同,是肖特基博士的一个创新。

肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD)的简称。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。

肖特基二极管和快恢复二极管在物理结构上是不一样的。肖特基二极管的阳极是金属,阴极是N型半导体;快恢复二极管基本结构仍然是普通的PIN二极管,即阴阳极分别为N和P型半导体。物理结构决定了两者的电特性。

1.肖特基二极管耐压较低,通常在200V以下,同等耐压,相同电流下,肖特基二极管的正向压降低于快恢复二极管。

2. 肖特基二极管载流子只有电子,理论上没有反向恢复时间,而快恢复二极管本质上和PIN二极管一样,是少子器件的反向恢复时间通常在几十到几百ns。

3. 额定反向耐压下,快恢复二极管的反向漏电流较小,通常在几uA到几十uA;肖特基二极管的反向漏电流则通常达到几百uA到几十mA,且随温度升高急剧增大。

二极管反向恢复时间到底怎样形成?

反向恢复时间基本的定义是:二极管从导通状态转换成关断状态所需的时间。

从定义可以看出,二极管导通状态下突然施加一个反偏电压,它不能马上截止需要一个过度时间,也就是反向恢复时间。

通常在开关电源连续模式反向恢复过程中,二极管流过较大的反向电流同时承受了较大的反向电压,因此造成了很大的反向恢复损耗,所以一般选反向恢复时间越短的越好,在电压应力较低的情况下肖特基是首选。

在CCM PFC中,为了降低这个损耗,通常的超快恢复二极管(标称反向恢复时间十几到几十ns)仍然差强人意,需要用到SiC二极管。常用的SiC二极管通常是肖特基结构,反向恢复时间远低于PIN二极管。

产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应

产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压VF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于,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。电子扩散到P区的情况也类似,下图为二极管中存储电荷的分布。

 

 

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。

二极管和一般开关的不同在于,“开”与“关”由所加电压的极性决定, 而且“开”态有微小的压降V f,“关”态有微小的电流i0。当电压由正向变为反向时, 电流并不立刻成为(- i0) , 而是在一段时间ts内, 反向电流始终很大, 二极管并不关断。经过ts后, 反向电流才逐渐变小, 再经过tf时间, 二极管的电流才成为(- i0) , ts称为储存时间, tf称为下降时间。tr= ts+ tf称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。这实际上是由电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比tr短, 则二极管在正、反向都可导通, 起不到开关作用。

 

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