二极管的反向恢复时间

前言

即使施加在二极管上的电压从正向变为反向，二极管也不会立即关断。二极管从ON到OFF的转变需要一定的时间。在该转变所需的时间中，电流沿相反方向流动的时间就称为反向恢复时间(trr)，也就是reverse recovery time。

在图1所示的二极管电路中，加入一个如图2所示的输入电压。即在 0~ $t_{1}$ 时间内，输入为 $+V_{F}$ ，二极管导通，电路中有电流流过。

假设二极管的正向压降为 $V_{D}$ ，当 $V_{F}$ 远大于 $V_{D}$ 时， $V_{D}$ 可忽略不计；如果在 $t_{1}$ 时刻，输入 $V_{1}$ 突然从 $+V_{F}$ 变为 $-V_{R}$ ，在理想情况下，二极管将即刻变为截止状态，电路中只有很小的反向漏电流。

但在实际情况中，二极管并不会立即变为截止状态，而是先有正向的 $I_{F}$ 变为一个很大的反向电流 $I_{R}=\frac{V_{R}}{R_{L}}$ ，这个反向电流会维持一段时间 $t_{s}$ 后才开始逐渐下降，再经过 $t_{t}$ 时间后，下降到一个很小的数值 $0.1*I_{R}$ ，这时二极管才会进入反向截止状态。该过程如图3所示。

一般将二极管从正向导通变为反向截止的过程成为反向恢复过程，其中 $t_{s}$ 称为存储时间， $t_{t}$ 称为渡越时间， $t_{re}=t_{s}+t_{t}$ 称为反向恢复时间。

二、原因

产生上述现象的原因是由于电荷存储效应。

由于二极管外加正向电压 $+V_{F}$ 时，P 区的空穴向 N 区扩散，N 区的电子向 P 区扩散，不仅使得耗尽层变窄，而且使得载流子有相当数量的存储，在 P 区内存储了电子，在N 区内存储了空穴，它们都是非平衡少子。

空穴由 P 区扩散到 N 区后，并不是立即与 N 区中的电子复合后消失，而是在一定的路程 $L_{P}$ （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 $L_{P}$ 范围内存储一定数量的空穴，并建立起一定的空穴浓度分布，靠近 PN 结边缘的浓度高，离 PN 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 区的情况类似。

把正向导通时，非平衡少子积累的现象叫做电荷存储效应。

当输入电压突然由 $+V_{F}$ 变为 $-V_{R}$ 时， P 区存储的电子和 N 区存储的空穴不会马上消失，它们会通过以下两个途径逐渐减少：

在反向电场的作用下， 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 $I_{R}$ ；
与多数载流子复合消失。

在这些存储电荷消失之前，PN结仍处于正向偏置，即耗尽层仍然很窄，PN结的电阻仍然很小，与 $R_{l}$ 相比可以忽略，所以此时反向电流

。 $V_{D}$ 表示PN结两端的正向压降，一般有 $V_{R}>>V_{D}$ ，即 $I_{R}=\frac{V_{R}}{R_{L}}$ 。在这段时间， $I_{R}$ 基本上保持不变，主要由 $V_{R}$ 和 $R_{l}$ 决定。经过 $t_{s}$ 时间后，P 区和 N 区所存储的电荷已显著减小，耗尽层逐渐变宽，反向电流 $I_{R}$ 逐渐减小到正常反向饱和电流的数值，经过 $t_{t}$ 时间后，二极管转为截止状态。

由上可知，二极管的反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。如果反向脉冲的持续时间比反向恢复时间 $t_{re}=t_{s}+t_{t}$ 短，则二极管在正、反方向都可以导通，起不到开关的作用。

三、影响

1.电路不工作

二极管的反向恢复时间会对其工作频率有影响，二极管在每个交流周期内必须有足够的时间完成从正向到反向的状态切换。如果反向恢复时间占了整个周期的比例比较大，那么在高频率下，二极管就不足以有效地完成状态切换，导致其性能受限。

举个例子，对于一般的整流应用，理想状态是使二极管的反向恢复时间远小于其工作周期。如何估计理想的最高工作频率呢？我们可以将二极管的恢复时间视为一个周期内的最大可接受比例，例如10%。则计算方式如下，如果反向恢复时间是10μs：

这意味着理论上该二极管可以适用于最高10kHz的频率。比如自举电路中的二极管，二极管选型就要注意反向恢复时间，如果反向恢复时间过大，就会导致电路不工作。

2.开关损耗增加

二极管的反向恢复时间越长，当它从导通状态切换到阻断状态时，会有一段时间内仍然允许电流逆向流过。这将导致与之串联的晶体管或MOSFET在尚未完全关闭时二极管已经开始导通，从而导致开关损耗增加，这种损耗在开关电源应用中尤为显著，所以在开关电源中的二极管选型也要注意其反向恢复时间。

3.二极管自身损耗增大

对于二极管，反向恢复损耗可以通过以下公式估算：

频率越高，反向恢复损耗越大，二极管自身的温升就越高，在设计时，必须考虑合适的散热措施，或者选择具有更低反向恢复特性的二极管，选择适当的开关频率以减少这些损耗。

4.对电磁干扰的影响

在高速开关电路中，二极管的反向恢复时间是影响电路性能的关键参数之一，特别是对电磁干扰的影响。在二极管关闭的瞬间，电路中的电流不能立即停止，由于电感的存在，这些电流会继续流动并试图维持其原有路径，从而在电路中形成高电压尖峰，它们可以对电路的其他部分产生干扰,比如下图不同反向恢复时间的二极管，其电流振荡波形差别很大，这也是很多硬件工程师容易忽略的EMI影响因素。