二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程與功耗研究

二極管在較高頻率下應用的時(shí)候，需要注意二極管除了我們知道的正常的導通狀態(tài)和正常的截至狀態(tài)以外，在兩種狀態(tài)之間，轉換過(guò)程中還存在著(zhù)開(kāi)啟效應和關(guān)斷效應。二極管在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中其電流和電壓的變化過(guò)程如圖所示：

① 開(kāi)啟效應:表征著(zhù)二極管由截止過(guò)渡到導通的特性，從反向電壓VR正向導通，跳變至最高電壓V?P，然后慢慢降低為二極管正向導通電壓VF，達到穩定狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為二極管的正向恢復過(guò)程。這一過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為正向恢復時(shí)間。開(kāi)啟過(guò)程的過(guò)程是對對反偏二極管的結電容充電，使二極管的電壓緩慢上升，因PN結耗盡區的工作機理，使電壓的上升比電流的上升要慢很多。
② 關(guān)斷效應：表征著(zhù)二極管由導通過(guò)渡到截止的特性，從二極管正向導通電壓VF，跳變至負向最高電壓VFF，然后反向截止達到穩定狀態(tài)VR的過(guò)程稱(chēng)為二極管的反向恢復過(guò)程。這一過(guò)程所需要的時(shí)間稱(chēng)為反向恢復時(shí)間。由于電荷存儲效應，二極管正向導通時(shí)，會(huì )存在非平衡少數載流子積累的現象。在關(guān)斷過(guò)程中存儲電荷消失之前，二極管仍維持正偏的狀態(tài)。為使其承受反向阻斷的能力，必需將這些少子電荷抽掉。反向恢復時(shí)間分為存儲時(shí)間Ts與下降時(shí)間Tf，存儲時(shí)間時(shí)二極管處在抽走反向電荷的階段，在這段時(shí)間以后電壓達到反向最大值，二極管可開(kāi)始反向阻斷，下降時(shí)間則是對二極管耗盡區結電容進(jìn)行充電的過(guò)程，直到二極管完全承受外部所加的反向電壓，進(jìn)入穩定的反向截止狀態(tài)。
二極管的暫態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程就是PN結電容的充、放電過(guò)程。二極管由截止過(guò)渡到導通時(shí)，相當于電容充電，二極管由導通過(guò)渡到截止時(shí)，相當于電容放電。二極管結電容越小，充、放電時(shí)間越短，過(guò)渡過(guò)程越短，則二極管的暫態(tài)開(kāi)關(guān)特性越好。
正向過(guò)程損耗

這是一個(gè)估計的結果
反向過(guò)程損耗
計算方法也是估計的（這是續流電路的情況）

實(shí)際的功率二極管用在不同的地方，其結果也是并不相同的，按照書(shū)中整流和續流兩塊去分析，我可能將之整理一下效果較好。感興趣的同志們可以去看看，挺詳細和詳實(shí)的一本書(shū)。
整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上，就是認為對結電容進(jìn)行操作。如果沒(méi)有電容，整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程是非常理想的，也就等效成為一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)了。
補充（引用網(wǎng)上不明作者的圖和過(guò)程分析）：
由于二極管外加正向電壓時(shí)，載流子不斷擴散而存儲的結果。當外加正向電壓時(shí)Ｐ區空穴向Ｎ區擴散，Ｎ區電子向Ｐ區擴散，這樣，不僅使勢壘區（耗盡區）變窄，而且使載流子有相當數量的存儲，在Ｐ區內存儲了電子，而在Ｎ區內存儲了空穴，它們都是非平衡少數載流子，如下圖所示。

空穴由Ｐ區擴散到Ｎ區后，并不是立即與Ｎ區中的電子復合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長(cháng)度）內，一方面繼續擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會(huì )在 LP范圍內存儲一定數量的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，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。我們把正向導通時(shí)，非平衡少數載流子積累的現象叫做電荷存儲效應。
當輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時(shí)Ｐ區存儲的電子和Ｎ區存儲的空穴不會(huì )馬上消失，但它們將通過(guò)下列兩個(gè)途徑逐漸減少：
① 在反向電場(chǎng)作用下，Ｐ區電子被拉回Ｎ區，Ｎ區空穴被拉回Ｐ區，形成反向漂移電流IR，如下圖所示；
② 與多數載流子復合。

在這些存儲電荷消失之前，ＰＮ結仍處于正向偏置，即勢壘區仍然很窄，ＰＮ結的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時(shí)反向電流IR= （VR＋VD）/RL。VD表示ＰＮ結兩端的正向壓降，一般 VR>>VD，即 IR＝VR／RL。在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后Ｐ區和Ｎ區所存儲的電荷已顯著(zhù)減小，勢壘區逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數值，經(jīng)過(guò)時(shí)間tt，二極管轉為截止。由上可知，二極管在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中出現的反向恢復過(guò)程，實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時(shí)間就是存儲電荷消失所需要的時(shí)間。