二极管恢复电荷

二极管在关断期间的开关特性如图1所示。

功率二极管的关断特性： a) 电流变化 if ； b) 电压降vf 的变化； c) 功率损耗的变化

图 1. 功率二极管的关断特性： a) 电流 i f的变化； b) 电压降v f的变化； c) 功率损耗的变化

如果我们在二极管上施加反向电压，则通过二极管的电流将为零，并且由于耗尽层和 p 或 n 层中存在存储电荷，二极管继续沿相反方向传导。二极管电流流动反向恢复时间t rr。这是瞬时正向二极管电流变为零和瞬时反向恢复电流衰减至其反向值的 25% 之间的时间。

时间T a：耗尽层中储存的电荷被移除。

时间T b：从半导体层去除电荷。

总恢复时间：

TRR=Ta+Tb

峰值反向电流：

IRM=Tadidt

[方程 1]

反向恢复电荷 Q RRC 是当二极管从正向导通模式变为反向阻断模式时流经二极管的电荷量。这是由电流路径在 x 轴下方包围的面积给出的。

因此，

QRRC?12IRMxTRR

?IRM=2QRRCTRR

[方程 2]

从方程 1 和方程 2 中我们可以得到，

TRRTa=2QRRCdidt

[方程 3]

通常，

Tb<

因此，

TRR≈Ta

从方程 3 和方程 4 中我们可以得到，

TRR?√(2QRRCdidt)

[方程 5]

从方程 5 和方程 2 中我们可以得到，

IRM=√(2QRRCdidt)

[公式 6]

从实际角度来看，人们更关心的是 T RR和 I RM，它们显然取决于存储电荷 Q RRC以及等式 5 和 6 中反向应用的 didt。

从实际角度来看，人们更关心的是 T RR和 I RM，它们显然取决于存储电荷 Q RRC以及等式 5 和 6 中反向应用的

didt

具有钳位感性负载的晶体管开关

功率三极管

开启或关闭期间的时间延迟是由于少数载流子达到合适的密度点所花费的时间造成的。其开关特性是根据外部负载电路和基极电流波形来指定的。采用平基驱动的钳位电感开关电路如图2所示。

开关电源 BJT 电路

图 2. 开关电源 BJT 电路

功率 BJT 的关键点是存储时间和开关损耗。开关损耗发生在接通和关断期间，并且它们在快速开关操作中占主导地位。阻性负载和感性负载过渡期间电压和电流变化的波形如图 3 所示。

(a) 感性负载 (b) 阻性负载关断期间电压和电流的转变

图 3. (a) 感性负载 (b) 阻性负载关断期间电压和电流的转变

功率 BJT 的完整感性负载开关特性如图 3 所示

基极电流应足够高，以确保 BJT 快速导通以实现快速开关操作。开机后应保持在一定水平，使其处于饱和状态，以尽量减少传导损耗。与功率二极管的情况一样，反向恢复时间取决于存储的电荷和电流的斜率。

通过提高基极电流的上升速率，可以缩短功率 BJT 的导通时间。

感性负载的功率 BJT 开关特性

图 4. 感性负载的功率 BJT 开关特性

场效应管

如果负载电流在短持续时间的开关间隔内保持恒定并且也是由于感性负载所致；它可以被认为是一个恒流源。

功率 MOSFET 情况下具有钳位电感电路的开关电路如图 5 所示。栅极由理想的阶跃电压源驱动。此外，二极管被认为是理想的，因此不表现出任何反向恢复特性。

带钳位感性负载的 MOSFET 开关电路

图 5. 具有钳位感性负载的 MOSFET 开关电路

当施加栅极电压时，它开始向 V GG上升，时间常数 = R G (C GS + C GD )

CGS 和 VGD 与 VDS 的变化

图 6. C GS和 V GD随 V DS的变化

MOSFET的栅源电容是MOSFET所有内部电容中的。 MOSFET 的栅漏传输电容在欧姆区具有较大值，然后在有源区减小到较小值。上图清楚地显示了该电容随 V DS的变化。功率MOSFET在导通和关断期间的开关特性分别如图7和图8所示。

功率 MOSFET 的导通特性

图 7. 功率 MOSFET 的导通特性

功率 MOSFET 的关断特性

图 8. 功率 MOSFET 的关断特性

IGBT

带钳位感性负载的 IGBT 开关电路如图 9 所示。

钳位感性负载的开通和关断特性如图 10 和图 11 所示。 IGBT 在导通和关断期间穿过有源区。令感性负载的时间常数即T=LR足够大，以便假设负载电流在稳态条件下恒定。

带钳位感性负载的 IGBT 开关电路

图 9. 具有钳位感性负载的 IGBT 开关电路

IGBT 导通时的开关特性

图 10. 导通期间的 IGBT 开关特性

在 IGBT 导通期间，其电压下降速率在接近结束时减慢，因为与 MOSFET 相比，pnp 晶体管的输出跟随其有源区的速度更慢。

关断期间 IGBT 的开关特性

图 11. 关断期间的 IGBT 开关特性

在 IGBT 关断期间，由于存储的多余电荷可能会产生电流尾部。当 IGBT 关断时，栅极-发射极电压保持在负值以避免闩锁。

器件电容：是开关管导通时与开关管并联的内部电容，如IGBT、MOSFET，如图5、图9所示。存储的能量在开启过渡期间消失。电容器中存储的总能量由下式给出：

Ec=n∑i=012CiVi2杂散电感：当开关开始开路时，这些电感实际上与开关串联。该存储的能量在关断转换期间消失。

EL=n∑i=012LiIi2除了导通和关断转换期间的损耗之外，还可能存在由于二极管存储的电荷、寄生电容、寄生电感和振铃而导致的开关损耗。

效率与开关频率

功率与存储的能量乘以频率成正比。转换器的效率随着开关频率的增加而降低。但是，存在一定的频率临界值，效率会急剧下降。

效率与开关频率曲线

图 12. 效率与开关频率曲线