Diode的反向恢復特性的機理和模型原理

現代集成電路中MOSFET的體二極管的反向恢復特性對系統(tǒng)安全具有重要影響，本文探討了Diode的反向恢復特性的機理和模型原理。

半橋、全橋和 LLC 的電源系統(tǒng)以及電機控制系統(tǒng)的主功率 MOSFET、同步 Buck 變換器的續(xù)流開關管、以及次級同步整流開關管，其體內寄生的二極管都會經歷反向電流恢復的過程。功率 MOSFET 的體二極管的反向恢復的特性較差，導致二極管的開關損耗增加，降低系統(tǒng)的效率，同時，也會產生較高的振鈴，影響功率 MOSFET 的安全工作 。對應的反向恢復特性，在Model中該如何考慮呢？今天就這方面來做一些討論。

二極管方向恢復機理

當體二極管外加正向電壓 VF 時，正向電壓削弱了 PN 結的內電場，漂移運動被削弱，擴散運動被增強，擴散和漂移的動態(tài)平衡被破壞。結果造成 P 區(qū)的空穴（多子）流向 N 區(qū)，N 區(qū)的電子(多子）流向 P 區(qū)。進入 P 區(qū)的電子和進入 N 區(qū)的空穴分別成為該區(qū)的少子。因此，在 P 區(qū)和 N 區(qū)的少子比無外加電壓時多，這些 多出來的少子稱為非平衡少子。

這些非平衡少子，依靠積累時濃度差在 N 區(qū)和 P 區(qū)進行擴散。以空穴為例，其在N區(qū)建立起空穴濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠，濃度越小 。正向電流越大，存儲的空穴數目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。通常把正向導通時，非平衡少數載流子積累的現象叫做電荷存儲效應。

當體二極管施加反向電壓時，P 區(qū)存儲的電子和 N 區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，它 們將通過兩個途徑逐漸減少：

a. 在反向電場作用下，P 區(qū)電子被拉回 N 區(qū)，N 區(qū)空穴被拉回 P 區(qū)，形成反向漂移電流；

b. 與多數載流子復合。

二極管在開關轉換過程中出現的反向恢復過程，實質上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。

雙脈沖測試電路

雙脈沖測試是廣泛應用于MOSFET和IGBT等功率開關元件特性評估的一種測試方法。該測試不僅可以評估對象元件的開關特性，還可以評估體二極管和IGBT一同使用的快速恢復二極管（FRD）等的反向恢復特性。因此，對導通時發(fā)生反向恢復特性引起損耗的電路的評估非常有效。雙脈沖測試的基本電路圖如下所示。

該電路中上管為Diode測試管、下管是驅動用的MOSFET，雙脈沖測試的基本工作主要可以分為①、②、③這三種。當定義脈沖發(fā)生器的電壓為VPulse、流過電感的電流為IL、DUT的電壓為VDD。當工作為①狀態(tài)時，MOSFET為ON狀態(tài)。電流路徑為：電源→電感Ls→電感L→MOSFET→電源。此時電感L蓄能。當工作為②狀態(tài)時，MOSFET關斷(OFF) (I=0A)，因此電流路徑為：電感L→Diode形成閉合電路，變?yōu)槔m(xù)流運行。當工作為③狀態(tài)時，MOSFET再次導通(ON)，電流路徑為電源→電感Ls→電感L→MOSFET→電源，此時Diode的反向恢復電流與導通時的重疊，觀察流過Diode的電流，即可看到反向恢復的現象。

SPICE Model 如何描述反向恢復特性

二極管中總的電荷Q由兩部分構成：結兩端電壓變化引起積累在此區(qū)域的電荷和中性區(qū)（NR）中儲存的電荷，是由注入到中性區(qū)（NR）中的少數載流子形成的。分別對應結電容CJ和擴散電容CD。

其中，CJ的表達式如下：

而CD的表達式為：

換句話說，反向恢復是和Diode的電容相關的。當我們確定好CJ的電容參數CJO, M, FC, VJ。那么反向恢復的參數就和CD的參數TT是相關的。

SPICE Model反向恢復參數該如何抽取

Spice Model 參數的提取可以在ICCAP中進行。ICCAP中提供了一個基礎的Diode例子，可以在我們可以在這個例子的基礎上開發(fā)反向恢復參數抽取驗證的例子。

在這個例子中定義新的DUT，命名為Recovery，并編寫雙脈沖測試電路，此處是用spice語法編寫的，這個和對應仿真器語法要一致。

給定相應的測試仿真激勵，測試通過Diode的電流，我們即可觀察到反向恢復的特性曲線。

ICCAP中可以使用Tuning來優(yōu)化調諧相應的參數。當我們Tuning TT的參數時，會發(fā)現反向電流在變化。

雙脈沖測試仿真驗證

同樣，我們可以在ADS中搭建雙脈沖測試電路。

仿真結果如下：

總結

在實際應用中，MOSFET 的體二極管給我們帶來了很多的方便和好處，但我們不能忽視其反向恢復特性對系統(tǒng)的影響。

trr的數值大?。∕odel中與TT參數相關）直接影響了電子器件的性能和可靠性。以下是trr對電子器件的幾個重要影響因素：

1、能耗和效率：高trr值意味著電子器件在反向恢復時需要更長的時間，從而產生更多的能量損耗。這會降低電子器件的能效和工作效率。

2、開關速度：trr值越小，電子器件的反向恢復速度越快。在高頻率開關應用中，反向恢復時間短的器件可以更快地切換狀態(tài)，提高整體系統(tǒng)的響應速度。

3、可靠性：當電流反向通過二極管時，如果trr值過大，會產生較高的反向電壓峰值。這可能導致功率損耗、熱量產生和器件損壞，影響整個電路的可靠性和壽命。