Diode的反向恢复特性的机理和模型原理

现代集成电路中MOSFET的体二极管的反向恢复特性对系统安全具有重要影响，本文探讨了Diode的反向恢复特性的机理和模型原理。

半桥、全桥和 LLC 的电源系统以及电机控制系统的主功率 MOSFET、同步 Buck 变换器的续流开关管、以及次级同步整流开关管，其体内寄生的二极管都会经历反向电流恢复的过程。功率 MOSFET 的体二极管的反向恢复的特性较差，导致二极管的开关损耗增加，降低系统的效率，同时，也会产生较高的振铃，影响功率 MOSFET 的安全工作 。对应的反向恢复特性，在Model中该如何考虑呢？今天就这方面来做一些讨论。

二极管方向恢复机理

当体二极管外加正向电压 VF 时，正向电压削弱了 PN 结的内电场，漂移运动被削弱，扩散运动被增强，扩散和漂移的动态平衡被破坏。结果造成 P 区的空穴（多子）流向 N 区，N 区的电子(多子）流向 P 区。进入 P 区的电子和进入 N 区的空穴分别成为该区的少子。因此，在 P 区和 N 区的少子比无外加电压时多，这些 多出来的少子称为非平衡少子。

这些非平衡少子，依靠积累时浓度差在 N 区和 P 区进行扩散。以空穴为例，其在N区建立起空穴浓度分布，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。通常把正向导通时，非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。

当体二极管施加反向电压时，P 区存储的电子和 N 区存储的空穴不会马上消失，它 们将通过两个途径逐渐减少：

a. 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；

b. 与多数载流子复合。

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。

双脉冲测试电路

双脉冲测试是广泛应用于MOSFET和IGBT等功率开关元件特性评估的一种测试方法。该测试不仅可以评估对象元件的开关特性，还可以评估体二极管和IGBT一同使用的快速恢复二极管（FRD）等的反向恢复特性。因此，对导通时发生反向恢复特性引起损耗的电路的评估非常有效。双脉冲测试的基本电路图如下所示。

该电路中上管为Diode测试管、下管是驱动用的MOSFET，双脉冲测试的基本工作主要可以分为①、②、③这三种。当定义脉冲发生器的电压为VPulse、流过电感的电流为IL、DUT的电压为VDD。当工作为①状态时，MOSFET为ON状态。电流路径为：电源→电感Ls→电感L→MOSFET→电源。此时电感L蓄能。当工作为②状态时，MOSFET关断(OFF) (I=0A)，因此电流路径为：电感L→Diode形成闭合电路，变为续流运行。当工作为③状态时，MOSFET再次导通(ON)，电流路径为电源→电感Ls→电感L→MOSFET→电源，此时Diode的反向恢复电流与导通时的重叠，观察流过Diode的电流，即可看到反向恢复的现象。

SPICE Model 如何描述反向恢复特性

二极管中总的电荷Q由两部分构成：结两端电压变化引起积累在此区域的电荷和中性区（NR）中储存的电荷，是由注入到中性区（NR）中的少数载流子形成的。分别对应结电容CJ和扩散电容CD。

其中，CJ的表达式如下：

而CD的表达式为：

换句话说，反向恢复是和Diode的电容相关的。当我们确定好CJ的电容参数CJO, M, FC, VJ。那么反向恢复的参数就和CD的参数TT是相关的。

SPICE Model反向恢复参数该如何抽取

Spice Model 参数的提取可以在ICCAP中进行。ICCAP中提供了一个基础的Diode例子，可以在我们可以在这个例子的基础上开发反向恢复参数抽取验证的例子。

在这个例子中定义新的DUT，命名为Recovery，并编写双脉冲测试电路，此处是用spice语法编写的，这个和对应仿真器语法要一致。

给定相应的测试仿真激励，测试通过Diode的电流，我们即可观察到反向恢复的特性曲线。

ICCAP中可以使用Tuning来优化调谐相应的参数。当我们Tuning TT的参数时，会发现反向电流在变化。

双脉冲测试仿真验证

同样，我们可以在ADS中搭建双脉冲测试电路。

仿真结果如下：

总结

在实际应用中，MOSFET 的体二极管给我们带来了很多的方便和好处，但我们不能忽视其反向恢复特性对系统的影响。

trr的数值大小（Model中与TT参数相关）直接影响了电子器件的性能和可靠性。以下是trr对电子器件的几个重要影响因素：

1、能耗和效率：高trr值意味着电子器件在反向恢复时需要更长的时间，从而产生更多的能量损耗。这会降低电子器件的能效和工作效率。

2、开关速度：trr值越小，电子器件的反向恢复速度越快。在高频率开关应用中，反向恢复时间短的器件可以更快地切换状态，提高整体系统的响应速度。

3、可靠性：当电流反向通过二极管时，如果trr值过大，会产生较高的反向电压峰值。这可能导致功率损耗、热量产生和器件损坏，影响整个电路的可靠性和寿命。