【干貨】從Buck電路的續(xù)流二極管，看一下二極管的開關(guān)特性

二極管正偏時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)的接通；反偏時(shí)截止相當(dāng)于開關(guān)的斷開，表明二極管具有開關(guān)特性。

不過一個(gè)理想的開關(guān)，在接通時(shí)開關(guān)本身電阻為零，壓降為零，而斷開時(shí)電阻為無窮大，電流為零，而且要求在高速開關(guān)時(shí)仍具有以上特性，不需要開關(guān)時(shí)間。但實(shí)際二極管作為開關(guān)運(yùn)用，并不是太理想的。因?yàn)槎O管正向?qū)〞r(shí)，其正向電阻和正向降壓均不為零；反向截止時(shí)，其反向電阻也不是無窮大，反向電流也不為零。并且二極管開、關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，這就限制了它的開關(guān)速度。

因此選用二極管作為開關(guān)時(shí)，應(yīng)選用正向電阻Rf小、反向電阻Rr大、開關(guān)時(shí)間小的開關(guān)二極管。下面，我們通過 Buck 電路中的續(xù)流二極管的開關(guān)過程來了解一下二極管開關(guān)特性。

1. 續(xù)流二極管的作用

快恢復(fù)二極管主要用作續(xù)流二極管，與快速功率MOS 管并聯(lián)后，帶感性負(fù)載，如Buck，Boost變換器的電感、變壓器和電機(jī)。這些電路大部分使用脈寬調(diào)制控制方式，感性負(fù)載決定了流過續(xù)流二極管的電流是連續(xù)的，MOS 管開通時(shí)，續(xù)流支路要截止以防輸入短路，下面例子給出了MOS管與續(xù)流二極管的相互作用。

上圖是簡(jiǎn)化的Buck電路。其輸出電壓Vout低于輸入電壓Vin。

2. 續(xù)流二極管的開關(guān)過程

A. MOS管導(dǎo)通時(shí)，二極管阻斷；B. 二極管阻斷到導(dǎo)通瞬間，即二極管從反偏到正偏;C. MOS管關(guān)斷，二極管導(dǎo)通;D.導(dǎo)通到關(guān)斷瞬間;關(guān)斷。

A. 圖中 MOS 管 Q 導(dǎo)通時(shí)，二極管兩端的電壓是反向偏置的Vin。與所有的半導(dǎo)體器件一樣，二極管的陽極到陰極有一個(gè)小電流(漏電流IR)，漏電流由偏置電壓，二極管PN 結(jié)工作溫度和二極管工藝技術(shù)決定。反向偏置電壓導(dǎo)致的總功率損耗是：PSP=VIN·IR。

B. MOS 管 Q 的關(guān)斷瞬間，電感電流$I_{L}$保持不變（電感中電流不能突變的特性）。二極管兩端電壓逐漸減小，從反向偏置電壓變?yōu)檎蚱秒妷?，電流逐漸上升。二極管的電流上升時(shí)間等于MOS 管的電流下降時(shí)間。關(guān)斷時(shí)在二極管 PN 結(jié)存儲(chǔ)的大量電荷被載流子帶走，使得電流上升時(shí) PN 結(jié)的電阻減小，二極管正向開通時(shí)有電壓尖峰，由芯片溫度、-diF/dt和芯片工藝決定。

正向電壓尖峰與反向電壓相比很小(<50V)，應(yīng)用時(shí)不影響二極管的工作。但是二極管的開通電壓尖峰增加了MOS管的電壓應(yīng)力和關(guān)斷損耗。電壓尖峰VFR決定了二極管的開關(guān)損耗。這些損耗隨開關(guān)頻率線性增加，開關(guān)頻率的增加又可以縮小電感的尺寸。

C. 通態(tài)二極管導(dǎo)通產(chǎn)生正向電流lF，PN結(jié)的門限電壓和半導(dǎo)體的電阻決定正向壓降VF。這個(gè)電壓由芯片溫度、正向電流IF和制造工藝決定。

D. 關(guān)斷與導(dǎo)通特性不同，高頻應(yīng)用時(shí)二極管的選擇是否合適主要取決于關(guān)斷特性的參數(shù)。MOS 管開通時(shí)，二極管正向?qū)娏鱅F的變化率等于 MOS 管電流上升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT，其-diF/dt很容易超過1000A/μs。前面提到，二極管恢復(fù)阻斷能力前必須去除通態(tài)時(shí)存儲(chǔ)在PN結(jié)的載流子。這就會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，其波形取決于芯片溫度、正向電流IF，-diF/dt和制造工藝。下圖是正向特性相同的金摻雜和鉑摻雜外延型二極管不同溫度下的反向恢復(fù)電流。相同溫度下不同制造工藝的二極管的反向恢復(fù)特性明顯不同。

鉑摻雜二極管反向恢復(fù)電流的減小速度很快(圖(b))，可控少數(shù)載流子的金摻雜二極管的恢復(fù)特性較軟(圖(a))。恢復(fù)電流減小得很快，線路中分布電感導(dǎo)致的電壓尖峰越高。如果最大電壓超過MOS 管的耐壓值，就必須使用吸收電路以保障設(shè)備的安全工作。而且過高的du/dt會(huì)導(dǎo)致EMI/RFI問題，在RFI受限的地方要使用復(fù)雜的屏蔽。二極管的反向恢復(fù)電流不僅會(huì)增加二極管的關(guān)斷損耗。還會(huì)增加 MOS 管的開通損耗，因?yàn)樗彩嵌O管的反向電流。圖(a)和(b)表明MOS 管開通電流是電感電流加上二極管的反向恢復(fù)電流，而且開通時(shí)間受trr影響會(huì)增大。

圖(a)和(b)重點(diǎn)說明軟恢復(fù)特性時(shí)低恢復(fù)電流的好處。首先，軟恢復(fù)特性的金摻雜二極管的電壓尖峰較小和反向恢復(fù)電流較小。因此二極管有低關(guān)斷損耗。其次，低反向恢復(fù)電流可減小 MOS 管的開通損耗。因此，二極管的選擇直接決定了兩個(gè)器件的功率損耗，并且在 BUCK 電路中一般選用肖特基二極管，肖特基二極管的正向?qū)▔航狄话惚容^低，在 0.3V 左右。同時(shí)其反向恢復(fù)時(shí)間也很短。