ダイオードの『逆回復時間』と『逆回復電流』について！

この記事ではダイオードの逆回復時間について定義・特性・影響などを詳しく説明します。

ダイオードの『逆回復時間』とは？

順方向バイアス電圧を印加することでダイオードに順電流I_Fが流れる状態から、バイアス方向が変化し、ダイオードに逆方向バイアス電圧が印加されると、ダイオードに蓄積されたキャリアによって、カソードKからアノードAの方向に逆回復電流が流れます。この逆流している期間を逆回復時間t_rrといいます。

逆回復時間t_rrはダイオードのデータシートには必ずと言ってもよいほど記載されており、非常に重要なパラメータの1つとなっています。また、逆回復時間はリカバリー時間とも呼ばれています。

以下に逆回復時間の関連用語を示します。

逆回復時間と逆回復電流のピーク値の特性

逆回復電流t_rrと逆回復電流のピーク値I_RRは順電流I_F、素子温度、電流の変化量di/dtによって変化します。

順電流が大きいほど、逆回復電流が大きくなる原理

N型半導体は電子の濃度が高い半導体です。一方、P型半導体は正孔の濃度が高い半導体(自由電子の濃度が低い半導体)です。

順方向バイアス電圧印加時、N型半導体には負電圧、P型半導体には正電圧を印加しています。
すなわち、N型半導体には電子を注入しています。また、P型半導体には正孔を注入しています(P型半導体から電子を引き抜いています)。すると、N型半導体では電子が、P型半導体では正孔が高濃度となります。その結果、電子はP型半導体へ入り込み、正孔はN型半導体へ入り込みます。この入り込む量は順電流I_Fが大きいほど多くなります。

ここで逆方向バイアス電圧を印加すると、電子はN型半導体へ戻り、正孔はP型半導体へ戻ります。この時、電子と正孔が入り込んでいる量が多いほど(すなわち順電流I_Fが大きいほど)、戻ってくるのに時間がかかるため、逆回復時間t_rrが大きくなります。

ソフトリカバリーとハードリカバリー

逆回復時間(リカバリー時間)の関連用語として、ソフトリカバリーとハードリカバリーというものがあります。

ソフトリカバリーとは「逆回復時間t_rrが大きい」ことを表しています。逆に、ハードリカバリーとは「逆回復時間t_rrが小さい」ことを表しています。逆回復時間t_rrが小さいほどノイズが発生しやすくなります。

また、ソフトリカバリー性を表す指標として、t_A/t_Bがあります。t_Bが大きいほど、ソフトリカバリー性が良くなります。すなわち、逆回復電流のピーク値I_RRから0Aに戻る過程での変化率dI_R/dtが緩やかなほどソフトリカバリー性が良いということになります。

逆回復時間と逆回復電流が及ぼす影響

スイッチング素子の損失を増加させる

昇圧コンバータや降圧コンバータではスイッチング素子Sがオフの時にダイオードDに電流が流れます。その後、スイッチング素子Sをオンにすると、ダイオードの逆回復電流がスイッチング素子Sに流れ込みます。

この時、インダクタ電流i_Lが0Aになった時にスイッチング素子Sがオンになるモード(電流臨界モード)では逆回復電流は大きくなりません。

しかし、インダクタ電流i_Lが流れている時にスイッチング素子Sがオンになるモード(電流連続モード)では逆回復電流が大きくなります。そのため、電流連続モードでは逆回復時間が小さいダイオード(ファストリカバリーダイオードなど)を使用するのが一般的です。

ここで、電流臨界モードと電流連続モードにおける電流波形を下図に示します。

• 電流臨界モード

インダクタ電流i_Lが0Aになった時(すなわち、ダイオード電流i_Dが0Aになった時)にスイッチング素子Sをオンします。そのため、逆回復電流が大きくなりません。したがって、電流臨界モードでは、逆回復時間t_rrが小さいダイオードではなく、順方向電圧V_Fがなるべく小さいダイオードを選定した方が効率が良くなります。

• 電流連続モード

インダクタ電流i_Lが流れている時(すなわち、ダイオード電流i_Dが流れている時)にスイッチング素子Sをオンします。このモードでは、ダイオードDに電流が流れている状態から急に逆バイアスがかかるため、逆回復電流が大きくなります。したがって、電流連続モードでは、順方向電圧V_Fを犠牲にしてでも逆回復時間t_rrの小さいダイオードを選定した方が効率が良くなります。

また、逆回復電流はダイオード自体の損失を増加させるのはもちろんですが、むしろスイッチング素子(トランジスタやMOSFETなど)の損失を増加させる要因となっています。

スイッチング遷移時においてはスイッチング素子に流れる電流i_Sとスイッチング素子にかかる電圧v_Sが重なる期間があります。本来、スイッチング素子に流れる電流i_Sはインダクタ電流i_Lと等しくなりますが、ダイオードの逆回復期間中は、スイッチング素子に流れる電流i_Sはインダクタ電流i_Lと逆回復電流の合計となります。そのため、逆回復電流が大きいと、スイッチング素子に流れる電流i_Sとスイッチング素子にかかる電圧v_Sの積であるスイッチング損失が大きくなります。このスイッチング損失は逆回復時間t_rrの小さいダイオードを用いることで減らすことできます。

ダイオード自体の損失を増加させる

ダイオードのリカバリー損失P_SWは逆回復時間t_rr中に発生する損失です。ダイオードのリカバリー損失P_SWは一般的には以下の式で計算することができます。
\begin{eqnarray}
P_{SW}=\frac{1}{6}I_{RR}V_{RM}t_{rr}×f_{SW}
\end{eqnarray}
上式において、f_SWは動作周波数です。すなわち、動作周波数_SWが高い(高周波)ほどリカバリー損失P_SWが大きくなり、ダイオードのトータル損失に対するリカバリー損失P_SWの割合が大きくなります。

動作周波数を制限させる

例えば、昇圧コンバータに逆回復時間t_rrが10usのダイオードを使用したとします。ここで、1周期Tのうち1％が逆回復時間t_rrである場合、周期Tは1000usとなります。すなわち、動作周波数f_SWは、
\begin{eqnarray}
f_{SW}=\frac{1}{T}=1kHz
\end{eqnarray}

となります。
一方、逆回復時間t_rrが10usのダイオードを使用しているのにも関わらず、昇圧コンバータの動作周波数f_SWを50kHz(周期Tを20us)にしたとします。この状態では1周期のうち50％が逆回復時間t_rrとなってしまいます。逆回復期間中はダイオードDのインピーダンスがほぼゼロなるため、この状態では、出力コンデンサに電荷をためることができなくなります。

すなわち、逆回復時間t_rrが動作周波数f_SWの限界を決めてしまうことになります。

【補足】ファストリカバリーダイオードとは？

ファストリカバリーダイオード(FRD: Fast Recovery Diode)とは逆回復時間t_rrを小さくするための対策(材料の最適化など)を施したダイオードであり高速ダイオードとも呼ばれています。スイッチング電源などの動作周波数が数10kHzから数100kHzにおける高周波を整流することを目的として作られたダイオードであり、一般整流ダイオードと比較すると、逆回復時間t_rrが2～3桁小さくなっています。その代わりに順方向電圧V_Fが大きいのが特徴です。なお、ショットキーバリアダイオードは逆回復特性を持ちませんが、ダイオードの接合容量が逆回復特性と似た挙動をします。

まとめ

この記事ではダイオードの逆回復時間について、以下の内容を説明しました。

お読み頂きありがとうございました。

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