1.1 二极管

通过电子技术基础的学习，可以知道二极管的主要作用是整流、单向导电和稳压。随着电子设计竞赛内容越来越丰富，二极管的作用也越来越多。特别是在开关功率变换应用中，二极管工作于大电流、高电压的高速开关状态，这样其开关特性就不能不考虑。不仅如此，在一些工作电压不高的应用场合，需要二极管具有尽可能低的导通电压。这些都是电子技术基础课程中没有详尽解释的，但在此仅对二极管的开关特性进行详尽的说明。

1.1.1 二极管的反向恢复特性

二极管的反向恢复特性主要有反向恢复时间、反向恢复电荷、反向恢复峰值电流和软度系数。

二极管的反向恢复特性如图1-1所示。

二极管是少数载流子导电器件，正向导通二极管在外电路施加反向电压后由于少数载流子的存在而不能立即关断，需要将少数载流子消除干净方能关断。导通的二极管的正向电流开始下降，当其电流下降到零时，由于二极管中的少数载流子仍然存在，所以它仍保持导通，只不过变成了反向导通。二极管的反向导通与电子技术基础中的二极管的反向阻断似乎是矛盾的，但是实际上，电子技术基础课程中所涉及的仅仅是稳态过程或者忽略了少数载流子的作用。必须记住的是，一旦二极管中的少数载流子清除干净，二极管必然变为阻断状态。

在二极管中的少数载流子被逐渐清除的过程中，二极管进入反向导通状态，其电流从阴极流向阳极，最终达到反向恢复电流峰值IRRM。随后二极管的反向电流开始回升，说明其中的少数载流子即将被清除干净。当二极管的反向恢复电流接近零时，可以认为其反向恢复过程结束，这个过程所经历的时间为反向恢复时间。

在二极管的反向恢复过程中，反向恢复电流与时间的积分就是二极管的反向恢复电荷Qrr。

在二极管的反向恢复过程中，不论是电流下降还是电流回升，都会产生非常高的电流变化率。这个电流变化率是产生电磁干扰的主要原因之一，因此对二极管的反向恢复，总是希望在相同的trr和IRRM条件下的di/dt越小越好。当反向恢复峰值电流产生于反向恢复时间的一半时，无论电流下降速率还是电流的回升速率相对都是最小的。因此，在二极管的反向恢复参数中又多了“软度系数”这一参数。软度系数为

在不同的测试条件下，二极管的反向恢复特性会有很大的差异，因此数据表中所给的参数不一定就是应用状态时的特性参数，需要根据二极管在不同条件下的特性曲线进行分析。

1. 按反向恢复特性分类

二极管的制造工艺不同，其反向恢复特性也不同。二极管的反向恢复特性是根据其应用条件的不同而不同的。在一般的400Hz及以下的正弦波电压整流应用中，对二极管的反向恢复特性没有特殊要求，因为就2.5ms的电压周期和自然电压、电流过零的应用状态来说，几个甚至数十微秒的反向恢复时间远远不止于对电路的性能造成明显的影响。只有在“中、高频”的应用中，才会对二极管的反向恢复特性有特殊要求。

从应用角度考虑二极管，可以用反向恢复时间对其进行分类。一般来说，中、小功率的开关功率变换应用中的二极管可以分类如下：

反向恢复时间trr大于1μs，为普通用途二极管（或者称为普通用途整流器）；

反向恢复时间trr小于1μs，为快速二极管（或者称为快恢复二极管）；

反向恢复时间trr小于100ns，为超快速二极管（或者称为超快反向恢复二极管）。

2. 反向恢复时间特性分析

在不同的测试条件下，快速、超快速二极管的反向恢复时间是不同的，有时其差异设置大相径庭。在这里，仅分析超快速二极管的反向恢复时间与应用条件的影响。

（1）数据表中的反向恢复时间

①反向恢复时间的由来

二极管的反向恢复时间最初是在分立元件的计算机时代出现的。在利用二极管、晶体管和电阻器构成门电路时会发现其中的二极管在外电路施加反向电压后并不是立即阻断，而是有一个反向导电的时间，即现在所说的反向恢复时间。为了测试这个反向恢复时间，采用了如下的测试条件：反向电压为30V，正向电流为10mA，反向恢复电流为10mA。这个测试条件符合当时的应用条件。

后来，开关电源问世，使得快速二极管的应用进入功率变化时代，随之而来的问题就是测试条件的改变。每一个测试条件的改变都意味着二极管制造商的测试设备的革新，这是二极管制造商所不愿意做的，所以测试条件往往明显滞后于应用条件。

最初的应用于开关电源的快速、超快速二极管的测试条件是：反向电压为30V，正向电流为0.5A，反向恢复峰值电流为1A；或者反向电压为30V，正向电流为1.0A，电流下降速率为50A/μs。在这样的测试条件下，可以很好地反映20世纪70 ～80年代初的电源技术水平。但是，随着开关电源不断向大功率、大电流和高电压迈进，特别是功率MOSFET的大量应用，使得上述测试条件已经远远不能适应应用条件。近些年来，新型超快速二极管的数据中，测试条件发生了根本的变化。其测试条件升级为：正向电流为额定电流，反向电压为额定电压的0.6倍，电流下降速率为100A/μs。这样的测试条件与实际应用条件基本符合。

②数据表中的反向恢复时间参数trr

绝大多数的超快速二极管的反向恢复时间参数的测试条件是：正向电流为1A，反向电压为30V，电流下降速率为200A/μs。在这样的测试条件下，额定电压为200～300V的超快速二极管的反向恢复时间基本上在35ns左右，额定电压为400～600V的反向恢复时间为60ns，额定电压为800～1000V的反向恢复时间将达到75～80ns。

（2）实际应用中的反向恢复时间

超快速二极管在实际应用中的反向恢复时间往往与数据表中的数据相差很大，其主要原因就是应用条件对超快速二极管的影响。

各生产厂商的产品的反向恢复特性（主要是反向恢复时间trr和反向恢复峰值电流IRRM），由于数据表中的测试条件不同，所以反映到数据表中所给的反向恢复时间相同的不同厂商，其超快速二极管在相同应用条件下的结果将是不同的。图1 -2（a）所示为厂商A的60A/600V的超快速二极管特性曲线，图1-2（b）所示为厂商B的60A/600V的超快速二极管特性曲线。

① trr与If和di/dt的关系

trr与If和di/dt的关系见图1-2。

首先，从图中可见，随着二极管的正向电流If的增加，反向恢复时间trr增加；若-di/dt的数值增加，反向恢复时间trr则减小。

其次，如果测试条件是1A正向电流的话，随着正向电流的增加，反向恢复时间将远远高于数据表中的反向恢复时间。见图1-2（a），在-200A/μs的电流下降率的测试条件下，15A正向电流对应的反向恢复时间接近140ns，而30A、60A正向电流对应的反向恢复时间将接近或超过200ns，远高于数据表中的参数60～75ns。

如果测试条件为额定电流或额定电流的一半，则在相同的电流下降速率的测试条件下，实际反向恢复时间接近于数据表中所给的数值。

②反向恢复时间trr与结温的关系

反向恢复时间将随结温的上升而增加，在最高结温时，其反向恢复时间大约为室温条件下的2.3倍，在100℃结温时为1.66倍，如图1-3所示。

因此，超快速二极管的实际反向恢复时间均大于数据表中室温条件下的数据。

3. 反向恢复峰值电流特性分析

反向恢复峰值电流IRRM随-di/dt的增加而增加，如图1-4所示。因为在不同-di/dt的测试条件下，IRRM的幅值是不同的。

IRRM随反向工作电压的上升而上升，因此额定电压为1000V的快速二极管，在相同的-di/dt但反向工作电压不同时（如500V与1000V），IRRM是不能互相比较的。

从图1-4中还可以看到，反向恢复峰值电流随正向电流的增加而增加。

4. 反向恢复电荷特性分析

从图1-3中可以看到，反向恢复电荷随结温的上升而增加。不仅如此，反向恢复电荷Qrr也随电流下降速率值的增加而增加，如图1-5所示。

从图1-4所示反向恢复峰值电流与电流下降速率的关系可以得出，反向恢复时间与反向恢复峰值电流的乘积应该是常数。而图1-2表明，随着电流下降速率值的增加，反向恢复时间的变化曲线与反向恢复峰值电流的乘积并不呈常数关系，而是随电流下降速率值的增加而增加。这说明，随着电流下降速率值的增加，反向恢复电荷随之增加，使反向恢复时间与反向恢复峰值电流的乘积增加。

1.1.2 二极管的正向电压特性与肖特基二极管

二极管用于整流时需要流过很大的电流，此时硅二极管的导通电压还是电子技术基础中介绍的0.7V吗？答案是否定的。但在小信号下，小信号硅二极管的导通电压的确约为0.7V。需要流过很大电流的硅整流二极管，尽管其原理和结构与小信号二极管相同，但是为了尽可能地减小管芯面积而不得不尽可能地提高管芯的电流密度，这样其动态电阻将不可忽略。电流流过动态电阻所产生的电压降将使整流二极管的导通电压明显高于0.7V。在超快速二极管中，为了获得尽可能短的反向恢复时间而采取了各种各样的措施，这些措施也导致了超快速二极管导通电压的增加。

1. 6A以下的普通整流二极管的导通电压

小电流、普通用途的整流二极管的导通电压一般在1V以下。在额定电流下的导通电压典型值为0.9V，大于电子技术基础中所讲的0.7V。

2. 超快速二极管的导通电压

为了获得良好的反向恢复特性，超快速二极管在某种程度上牺牲了导通电压。多数超快速二极管在额定电流下的导通电压为1.2～1.5V，额定电压（反向恢复峰值电压）越高，导通电压也越高。这明显高于电子技术基础中所说的0.7V。

过高的导通电压所带来的不良影响主要是：在低压开关功率变换和整流电路中，二极管的导通电压会大幅度降低电路的效率。例如，5V输出采用超快速二极管进行高频开关电源的输出整流，由于二极管约1.5V的导通电压要求输入电压必须高于6.5V，因此仅仅在二极管整流环节的效率就不会高于：

这个效率甚至比计算机中的开关电源的整机效率还低。这是工程实践中绝不允许的，因此在低电压开关功率变换中必须寻求低导通电压的二极管，这就是肖特基二极管。

3. 肖特基二极管可以有效地降低导通电压

肖特基二极管在数字电子技术课程中出现，是为了降低TTL输出级的饱和深度，而在TTL输出级的基极和集电极之间并接一个低正向电压降的二极管，可避免TTL的输出级进入深度饱和，并提高TTL的开关速度。在数字电子技术课程中仅仅说明了肖特基二极管的导通电压仅为0.3V。但是就是这样的数据，就足以使低电压整流和开关功率变换的效率得到大幅度的提高了。

以额定电压为45V的肖特基二极管为例，在额定电流条件下其导通电压仅为0.4 ～0.5V。这样，对于5V输出的二极管，其整流环节的效率为：

可以看到，仅仅用肖特基二极管替代超快速二极管，就可以使5V输出的整流电路的效率从77%提高到91%。

不仅如此，肖特基二极管是多数载流子导电器件，没有少数载流子的寿命影响二极管的反向恢复问题，因此肖特基二极管也是高速开关器件。

所需要注意的是，肖特基二极管的反向漏电流明显高于超快速二极管，特别是在高温状态下，如图1-6所示。

从图1-6中可以看到，最高结温下的漏电流是室温下的漏电流的2000多倍！在反向电压为35V和结温为150℃的条件下，其漏电流接近80mA，远高于超快速二极管的不足1mA的漏电流。过高的漏电流会导致肖特基二极管的反向损耗过高，在35V/80mA的条件下，其反向损耗达2.8W！而超快速二极管的反向损耗仅是其百分之一。

从其反向损耗的角度考虑，在选择肖特基二极管时，不仅需要考虑耐压，而且要选择漏电流低的品牌和规格。