02-01-Part-4-开通特性

1. 储存电荷

通过静态特性的分析我们知道，在大注入条件下，流经 pin 二极管的电流逐渐变大， n^- 区会逐渐积累载流子，载流子的漂移运动形成储存电荷（Stored Charge），用 表示。在 成立时可以近似表示为：

而在二极管反偏时，n^- 区承担反向电压，只有少子流过。那么从导通到截止，载流子势必要从n^- 区排出。也就是说，动态特性的本质是 n^- 区载流子形成和排出的过程。这些几乎呈现电中性的载流子被称为等离子体（Plasma）。

从反向开始到 n^- 区承担足够的反向电压这段时间载流子复合的电荷总量称为反向恢复电荷（Reverse Recovery Charge），用 表示。

关于反向恢复电荷将在下一部分详细说明。我们首先要明确的是，既然 pn 结有储存和释放电荷的功能，那么从电路的角度分析，它就可以被视为电容，称为结电容（Junctino Capacitor），用 表示。进而可以推出， pin 二极管可以等效为电容（来自两个结电容）和电阻（来自 n^- 区）并联。

2. 二极管的开通波形

电路的知识告诉我们，如果并联的这个电阻是不变的，那么它的输出电压符合 RC 时间常数，如图 2-1 a）所示。如果电阻是由大变小的，那么输出电压就如图 2-1 b）所示，这也是 pin 二极管的输出电压波形。

图 2-1：RC 电路及其输出电压波形：a）电阻不变；b）电阻减小

于是现在的问题是：为什么 pin 二极管在正向导通的过程中，其等效电阻逐渐减小呢？

其实这和上一部分讲的电导调制效应有关。图 2-2 展示了电流逐渐上升的过程中，等离子体在 n^- 区的分布情况。

图 2-2：开通阶段等离子体的分布情况及其等效电阻

从图 2-2 可以看出：

1. 电流较小时，等离子体聚集在两个结附近，大部分 n^- 区呈现出较高的电阻 → 较大，电压迅速升高，直到达到最大值
2. 随着电流增大，等离子体逐渐向 n^- 区的中心聚集，高阻值区变小 → 电压开始减小
3. 电流继续增大，等离子体淹没 n^- 区 → 只需考虑跨导 ，电压恢复到
4. 等离子体充满 n^- 区 → 跨导变化很小， 趋于稳定

结合图 2-2，我们可以画出 pin 二极管的开通波形（Turn-on Waveform），如图 2-3 所示：

图 2-3：pin 二极管的开通波形示意图

3. 电压尖峰的危害

长久以来，pin 二极管开通产生的电压尖峰一直被忽视。但在应用中，尤其是作为续流二极管（Free-Wheeling Diode，简称 FWD）与并联 IGBT 时，存在两个潜在的风险。

图 3-1 是逆变应用中常见的全桥电路。每一个半桥的上下桥臂由一个 IGBT 和 一个二极管构成，分别用 S 和 D 表示。负载电感 位于两个半桥之间。

图 3-1：全桥电路示意图

当 S2 和 S3 关闭，S1 和 S4 打开时，电流流经负载逐渐上升。

假设某一时刻关闭 S1，由于负载电感的感应电动势，电流从 开始缓慢下降。此时的电流回路为：负载 → S4 → D2。

当 D2 导通时，会产生一个电压尖峰 。由于 D2 和 S2 并联，此时 S2 也要承担相应的电压值。

另外需要关注电源一侧的回路。由于电路中不可避免的存在寄生电感（Parasitic Inductance） ，在 S1 关闭后也会产生相应的感应电动势 。根据基尔霍夫电压定律可以写出：

也就是说，D2 开通的电压尖峰会叠加到 S1，额外增加 S1 的阻断负担。