Was ist eine Diode mit schneller Erholung?
Eine Diode mit schneller Erholung (FRD) ist eine PN-Übergangsdiode, die einen schnellen Betrieb ermöglicht.
Sie werden auch als Fast-Recovery-Diode bezeichnet und manchmal als FRD abgekürzt. Ihr Aufbau und ihre Funktion entsprechen denen gewöhnlicher Gleichrichterdioden, doch während Gleichrichterdioden für die Gleichrichtung bei niedrigen Frequenzen unter 500 Hz geeignet sind, eignen sich Dioden mit schneller Erholung für die Gleichrichtung bei hohen Frequenzen zwischen einigen kHz und 100 kHz.
Dioden mit schneller Erholung verfügen über Maßnahmen zur Verringerung der Umkehrerholungszeit trr vom Ein-Zustand in den vollständigen Aus-Zustand, und die trr von Gleichrichterdioden beträgt etwa 5-10 us, während die trr von Dioden mit schneller Erholung etwa 50-100 ns beträgt.
Anwendungen von Dioden mit schneller Erholung
Dioden mit schneller Erholung können in Schaltnetzteilen verwendet werden, indem sie in Leistungsfaktorkorrekturschaltungen (PFC) integriert werden, die hochfrequente Ströme unterdrücken.
Leistungsfaktorkorrekturschaltungen, abgekürzt PFC-Schaltungen, bestehen aus einer Diode, einer Drossel und einem MOSFET; im Dauerbetrieb von PFC-Schaltungen wird der MOSFET eingeschaltet, bevor der Drosselstrom 0 A erreicht, wodurch er gezwungen wird, sich auszuschalten, während in der Diode Strom fließt. Schaltgeräusche werden erzeugt. Dioden mit schneller Erholung sind verfügbar, um dieses Rauschen zu verhindern.
Dioden mit schneller Erholung werden auch in AC/DC-Wandlern und Inverterschaltungen verwendet.
Aufbau von Dioden mit schneller Erholung (First Recovery Diodes)
Dioden mit schneller Erholung sind PN-Übergangsdioden: Der Elektrodenanschluss der P-Schicht wird als Anode und der Elektrodenanschluss der N-Schicht als Kathode bezeichnet, und nur der Vorwärtsstrom, der von der Anode zur Kathode fließt, kann passieren, während der Rückwärtsstrom kaum durchfließen kann. Mit dieser Eigenschaft können Dioden mit schneller Erholung Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.
Aufbau und Funktion sind die gleichen wie bei gewöhnlichen Gleichrichterdioden, aber Dioden mit schneller Erholung verfügen über Maßnahmen zur Verringerung des trr.
Wird in der Nähe des PN-Übergangs durch Elektronenstrahlbestrahlung oder Edelmetalldiffusion eine Ladungsträgerfalle erzeugt, werden Löcher, die in die N-Schicht eintreten, auf ihrem Weg zur Anodenseite in der Ladungsträgerfalle gefangen und verschwinden, wodurch die Laufzeit der Löcher verkürzt und die trr verringert wird.
Funktionsweise der Dioden mit schneller Erholung
Wenn eine Diode in einem stromdurchflossenen Zustand plötzlich in Sperrichtung vorgespannt wird, bewegen sich die Löcher in der P-Schicht zur Anodenseite und die Elektronen in der N-Schicht zur Kathodenseite, wodurch ein Erholungsstrom in entgegengesetzter Richtung zum Vorwärtsstrom fließt. Die Zeit, bis sich die Löcher und Elektronen vollständig bewegt haben und sich in der Nähe des PN-Übergangs eine Verarmungsschicht gebildet hat und der Erholungsstrom nicht mehr fließt, ist trr.
Wenn der Durchlassstrom hoch ist, passieren die Löcher und Elektronen die Oberfläche des PN-Übergangs und gelangen in den gegenüberliegenden Bereich. Wenn hier eine plötzliche Sperrvorspannung angelegt wird, dauert es eine gewisse Zeit, bis die in die N-Schicht eintretenden Löcher zur Anode zurückkehren, und diese Zeit kann trr bestimmen.
Bei Dioden mit schneller Erholung konvergiert der Erholungsstrom abrupt, wenn eine Sperrvorspannung angelegt wird, und das Klingeln (die Fluktuation) kann Rauschen verursachen. Daher ist es wichtig, dass Dioden mit schneller Erholung nicht nur eine geringe Rückwärtserholzeit haben, sondern auch die Eigenschaft einer allmählichen Erholung des Erholungsstroms aufweisen.
Auswahl einer Diode mit schneller Erholung
Gleichrichterdioden lassen sich in vier Haupttypen unterteilen: Dioden mit schneller Erholung, Allzweckdioden, Schaltdioden und Schottky-Barriere-Dioden.
1. Dioden mit schneller Erholung
Dioden mit schneller Erholung mit verbessertem trr und hohen Spannungsfestigkeiten wie 800 V sind möglich. Die Standard-Spezifikation für hohe Spannungen und hohe Ströme liegt jedoch bei etwa 2 V. In den letzten Jahren gibt es viele Typen mit einer niedrigeren Durchlassspannung (VF).
2. Allzwecktyp
Hierbei handelt es sich um eine Diodenbrücke mit einer Kombination von Dioden zur Gleichrichtung. Sie werden zum Schutz gegen Überströme eingesetzt, wenn Batterien oder Netzteile verkehrt herum angeschlossen werden. Die VF ist je nach Stromstärke unterschiedlich. Standard ist 1 V, was der allgemeinen VF von Dioden aus Silizium-PN-Übergängen entspricht. trr geht von der Gleichrichtung handelsüblicher Stromversorgungen wie 50 Hz/60 Hz aus.
3. Schaltdioden
Hauptsächlich für Schaltnetzteile verwendet, ist die VF die gleiche wie beim Allzwecktyp. trr ist schneller als beim Allzwecktyp, aber nicht so schnell wie bei Dioden mit schneller Erholung oder Schottky-Barriere-Dioden.
4. Schottky-Barriere-Dioden
Verwendet eine Barriere, die an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Metall entsteht. Sie haben schnelle Schalteigenschaften und eine niedrige VF: Die VF liegt selbst bei hohen Strömen wie 10 A bei etwa 0,8 V und bei mehreren A bei etwa 0,5 V. Ein großer Leckstrom in umgekehrter Richtung kann zu thermischem Durchgehen führen.