开关电源中的二极管分析

肖特基二极管和快恢复二极管到底区别在哪？

快恢复二极管从名称上很好理解，肖特基二极管是以人名命名，由于制造工艺完全不同，是肖特基博士的一个创新。

肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。

肖特基二极管和快恢复二极管在物理结构上是不一样的。肖特基二极管的阳极是金属，阴极是N型半导体；快恢复二极管基本结构仍然是普通的PIN二极管，即阴阳极分别为N和P型半导体。物理结构决定了两者的电特性。

1.肖特基二极管耐压较低，通常在200V以下，同等耐压，相同电流下，肖特基二极管的正向压降低于快恢复二极管。

2. 肖特基二极管载流子只有电子，理论上没有反向恢复时间，而快恢复二极管本质上和PIN二极管一样，是少子器件的反向恢复时间通常在几十到几百ns。

3. 额定反向耐压下，快恢复二极管的反向漏电流较小，通常在几uA到几十uA；肖特基二极管的反向漏电流则通常达到几百uA到几十mA，且随温度升高急剧增大。

二极管反向恢复时间到底怎样形成？

反向恢复时间基本的定义是：二极管从导通状态转换成关断状态所需的时间。

从定义可以看出，二极管导通状态下突然施加一个反偏电压，它不能马上截止需要一个过度时间，也就是反向恢复时间。

通常在开关电源连续模式反向恢复过程中，二极管流过较大的反向电流同时承受了较大的反向电压，因此造成了很大的反向恢复损耗，所以一般选反向恢复时间越短的越好，在电压应力较低的情况下肖特基是首选。

在CCM PFC中，为了降低这个损耗，通常的超快恢复二极管（标称反向恢复时间十几到几十ns）仍然差强人意，需要用到SiC二极管。常用的SiC二极管通常是肖特基结构，反向恢复时间远低于PIN二极管。

产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应

产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压VF时，载流子不断扩散而存储的结果。当外加正向电压时Ｐ区空穴向Ｎ区扩散，Ｎ区电子向Ｐ区扩散，这样，不仅使势垒区（耗尽区）变窄，而且使载流子有相当数量的存储，在Ｐ区内存储了电子，而在Ｎ区内存储了空穴 ，它们都是非平衡少数载流于，如下图所示。

空穴由Ｐ区扩散到Ｎ区后，并不是立即与Ｎ区中的电子复合而消失，而是在一定的路程LP（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LP范围内存储一定数量的空穴，并建立起一定空穴浓度分布，靠近结边缘的浓度最大，离结越远，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区的情况也类似，下图为二极管中存储电荷的分布。

我们把正向导通时，非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。

当输入电压突然由+VF变为-VR时Ｐ区存储的电子和Ｎ区存储的空穴不会马上消失，但它们将通过下列两个途径逐渐减少：

① 在反向电场作用下，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IR，如下图所示；

②与多数载流子复合。

在这些存储电荷消失之前，ＰＮ结仍处于正向偏置，即势垒区仍然很窄，ＰＮ结的电阻仍很小，与RL相比可以忽略，所以此时反向电流IR=（VR＋VD）/RL。VD表示ＰＮ结两端的正向压降，一般 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在这段期间，IR基本上保持不变，主要由VR和RL所决定。经过时间ts后Ｐ区和Ｎ区所存储的电荷已显著减小，势垒区逐渐变宽，反向电流IR逐渐减小到正常反向饱和电流的数值，经过时间tt，二极管转为截止。

由上可知，二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上由于电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。

二极管和一般开关的不同在于,“开”与“关”由所加电压的极性决定, 而且“开”态有微小的压降V f,“关”态有微小的电流i0。当电压由正向变为反向时, 电流并不立刻成为(- i0) , 而是在一段时间ts内, 反向电流始终很大, 二极管并不关断。经过ts后, 反向电流才逐渐变小, 再经过tf时间, 二极管的电流才成为(- i0) , ts称为储存时间, tf称为下降时间。tr= ts+ tf称为反向恢复时间, 以上过程称为反向恢复过程。这实际上是由电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比tr短, 则二极管在正、反向都可导通, 起不到开关作用。