Обратное восстановление диода

Обратное восстановление диода — это процесс переключения полупроводникового диода из проводящего состояния (прямое смещение) в непроводящее (обратное смещение), характеризующийся протеканием обратного тока в течение короткого промежутка времени после смены полярности напряжения. Данное явление обусловлено инерционностью процессов накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода и является ключевым параметром, определяющим быстродействие диодов в импульсных и высокочастотных схемах.

Физика процесса

При прямом смещении диода через p-n-переход протекает ток, и в областях, прилегающих к переходу, накапливается избыточный заряд неосновных носителей: электронов в p-области и дырок в n-области. Концентрация этих носителей значительно превышает равновесную. Когда напряжение на диоде резко меняется с прямого на обратное, накопленный заряд не может исчезнуть мгновенно. В течение некоторого времени диод продолжает проводить ток в обратном направлении, пока избыточные носители не будут выведены из базы или не рекомбинируют.

Этот процесс можно разделить на две фазы:

1. Фаза обратного тока (фаза рассасывания). В начальный момент после переключения обратный ток достигает максимума, ограниченного внешней цепью. В течение этой фазы концентрация неосновных носителей вблизи p-n-перехода остается высокой, и диод сохраняет низкое сопротивление. Ток течет за счет вытягивания (экстракции) накопленного заряда полем обратного смещения.
2. Фаза спада обратного тока (фаза восстановления). Когда концентрация неосновных носителей вблизи перехода падает ниже определенного уровня, сопротивление диода резко возрастает, и обратный ток быстро спадает до своего статического значения (обычно до единиц микроампер или наноампер). Форма спада может быть резкой (snappy recovery) или плавной (soft recovery).

Основные параметры

Для количественной оценки обратного восстановления используются следующие характеристики:

• Время обратного восстановления (trr — reverse recovery time). Интервал времени от момента смены полярности напряжения (или момента, когда прямой ток становится равным нулю) до момента, когда обратный ток снижается до заданного малого уровня (например, 10% или 25% от максимального значения обратного тока). Измеряется в наносекундах (нс) или микросекундах (мкс).
• Максимальный обратный ток (IRM — reverse recovery maximum current). Пиковое значение тока, протекающего через диод в обратном направлении во время процесса восстановления.
• Заряд обратного восстановления (Qrr — reverse recovery charge). Количество электричества, прошедшее через диод в обратном направлении за время восстановления. Интеграл обратного тока по времени. Этот параметр напрямую связан с величиной накопленного заряда и потерями на переключение.
• Коэффициент мягкости (S-factor). Отношение времени спада обратного тока (t_f) к времени его нарастания (t_r) в процессе восстановления. Характеризует форму спада. Высокий коэффициент мягкости (более 1) указывает на плавное восстановление, низкий (менее 0,5) — на резкое, что может вызывать высокочастотные колебания и перенапряжения в цепи.

Влияние на работу схем

Обратное восстановление диода является важнейшим фактором, ограничивающим частотные свойства выпрямителей, импульсных преобразователей напряжения, инверторов и других силовых электронных устройств.

• Потери на переключение. В процессе обратного восстановления на диоде выделяется значительная мощность, так как через него протекает большой ток при наличии обратного напряжения. Эти потери растут с увеличением частоты переключения и величины Qrr. В высокочастотных преобразователях потери на восстановление могут превышать потери в открытом состоянии.
• Электромагнитные помехи (ЭМП). Резкий спад обратного тока (snappy recovery) генерирует высокочастотные колебания и выбросы напряжения из-за паразитных индуктивностей монтажа и выводов. Это является источником электромагнитных помех, требующих применения дополнительных фильтров и снабберных цепей.
• Перенапряжения. В момент запирания диода, особенно при резком восстановлении, на паразитных индуктивностях цепи возникает выброс напряжения, который может превысить предельно допустимое обратное напряжение диода и привести к его пробою.

Классификация диодов по скорости восстановления

Для минимизации негативных эффектов обратного восстановления разработаны различные типы диодов, оптимизированные для работы на высоких частотах:

• Выпрямительные диоды общего назначения. Имеют большое время обратного восстановления (от единиц до десятков микросекунд). Используются в низкочастотных выпрямителях (50/60 Гц).
• Быстровосстанавливающиеся диоды (Fast Recovery Diodes). Время восстановления составляет от десятков до сотен наносекунд. Достигается за счет легирования базы золотом или платиной, что ускоряет рекомбинацию носителей. Широко применяются в импульсных источниках питания и преобразователях частоты.
• Ультрабыстровосстанавливающиеся диоды (Ultrafast Recovery Diodes). Имеют время восстановления менее 50 нс, часто с плавным характером спада. Используются в высокочастотных преобразователях (сотни кГц — единицы МГц).
• Диоды Шоттки. Отличаются отсутствием накопления неосновных носителей, так как работают на основе контакта металл-полупроводник. Процесс восстановления в них практически безынерционен и определяется только емкостью перехода. Время восстановления составляет единицы наносекунд. Однако диоды Шоттки имеют низкое обратное напряжение (обычно до 200 В) и повышенный обратный ток.
• PIN-диоды. Используются в высоковольтных и высокочастотных приложениях (например, в СВЧ-технике). Обладают большим временем восстановления, но их конструкция позволяет управлять этим параметром за счет изменения тока смещения.

Методы измерения

Измерение параметров обратного восстановления является стандартной процедурой тестирования диодов. Обычно используется схема, в которой диод переключается с заданного прямого тока (IF) на заданное обратное напряжение (VR) с помощью быстродействующего ключа. Осциллограф регистрирует форму тока и напряжения, по которым определяются trr, IRM и Qrr. Существуют специализированные измерители (например, тестеры диодов) и стандартизированные методики (например, согласно документам JEDEC или IEC).

Значение в силовой электронике

Управление обратным восстановлением является одной из центральных задач при проектировании современных силовых преобразователей. Выбор диода с подходящими параметрами (малое trr, малый Qrr, мягкое восстановление) позволяет повысить КПД преобразователя, снизить уровень электромагнитных помех и повысить надежность работы устройства. В современных MOSFET-транзисторах и IGBT часто встраивается обратный диод (body diode), характеристики восстановления которого также учитываются при проектировании.

Источники

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
2. Работы по силовой электронике: учебное пособие / под ред. В. И. Мелешина. — М.: Энергоатомиздат, 2005.
3. Техническая документация International Rectifier, ON Semiconductor, STMicroelectronics.
4. ГОСТ 18986.5-73. Диоды полупроводниковые. Методы измерения времени обратного восстановления.