图3-29 变换器中一个 桥臂的示意图

当PN结处于正向偏置通态时，结内充满了移动的载流子，电流稳定；而当PN结处于反偏阻态时，PN结的空间电荷区阻隔，漏电流非常小。这两种状态都是稳态，当这两种稳态发生切换时，就有不同的暂态发生，即二极管的开通（从阻态到通态）和关断（从通态到阻态）。在实际电力电子变换器中，二极管一般总是工作在不断的开关动作中。虽然两个过程的时间都较短，但其对二极管特性以及整个装置的可靠性影响较大，不容忽视。在二极管的开关动作过程，即在开通过程和关断过程中，主要考虑的是其正向和反向恢复特性。在图3-29中给出了实际变换器中一个桥臂的示意图，其中可控开关器件S₁和功率二极管D₂是关注对象，另两个器件不做考虑。直流母线电压为U_DC，负载中的电流为I_f。

PIN二极管的正向恢复过程可作如下解释。当二极管从阻态到通态的过渡过程中，其正向电压会随着电流的上升首先出现一个电压尖峰，然后才逐渐趋于稳定。产生该电压尖峰的机制有两个：一是阻性机制，少数载流子注入的电导调制作用有一定的过程，在导通的初期，电导调制作用并不明显，二极管的管压降仍会随着电流的上升而升高，当电流上升到一定数值时，注入并积累在本征区的载流子不断增加，电导调制作用增强，使二极管的管压降随电流的上升而下降。另一个是感性机制，即电流变化率在器件的内部杂散电感上产生的压降，此部分压降只存于电流变化的过程中，当电流趋于稳定后趋于零。一般的开通恢复过程中的电压峰值大部分为电感电压，开通电流变化率越大，该电压峰值越大，而阻性分量只有在电流变化率较小时才起主要作用。图3-30是PIN二极管正向恢复过程中本征区内不平衡载流子分布示意图，图3-31为二极管的正向恢复过程的电压和电流变化示意图。

图3-30 正向恢复过程中不平衡载流子分布

图3-31 正向恢复过程电压、电流变化

PIN二极管的反向恢复过程可作如下简单解释：在二极管加正向电压流过正向电流时，二极管内部存在大量的载流子荷。此时如果外加电压反向，正向电流下降到零，并不能立即截止，因为二极管中（尤其是本征区中）的大量电子和空穴需要一定的过程才能复合和扫出，即在一定的恢复时间后，二极管才能恢复截止状态。图3-32是PIN二极管反向恢复过程中本征区内不平衡载流子分布示意图，图3-33为二极管的正向恢复过程的电压和电流变化示意图。

图3-32 反向恢复过程中不平衡载流子分布(www.daowen.com)

图3-33 反向恢复过程电压、电流变化

具体分析PIN二极管的反向恢复过程如下。

1）t₀～t₁阶段。S₁导通后，二极管D₂中的电流以一个常数导数di/dt=U_DC/L_i的速率下降。由于di/dt很大，t₀～t₁之间的时间间隔比起载流子的寿命通常很短，因此当电流过零时，二极管中仍有大量的载流子。

2）t₁～t₂阶段。本征区的过量载流子使二极管保持导通，即二极管电压降仍然很小，因而通过开关管的电流继续以恒定的速率di/dt=U_DC/L_i反向增加。反向电流由从本征区扫出的过量电荷维持。扫出过程中，空穴由阳极获得，电子由阴极获得，这导致等离子浓度在本征区的两个边缘衰减都很迅速。

3）t₂～t₃阶段。在t₂时刻，在J₁结处等离子浓度衰减为零（如果P⁺区的掺杂浓度比N⁺区低）。此时PIN二极管此时开始承受电压。杂散电感L_i的压降减小，因而di/dt变小。在t₃时刻，二极管电压达到U_DC。di/dt降到零，二极管的反向电流达到最大值，称为反向恢复电流峰值I_rr。

4）t₃～t₄阶段。反向电流完全由从本征区的载流子扩散到结来支持，此时反向电流会逐渐减小。这时di/dt为负，杂散电感L_i感生一个负电压，导致二极管端电压大于U_DC。

5）t₄～t₆阶段。反向的电流逐渐减小到零，di/dt的值也逐渐减小到零，二极管端电压逐渐减小到U_DC，恢复过程结束。

PIN二极管的正、反向恢复对变换器中的其他器件的影响在后面章节有分析。