器件的关断过程实际上包括了器件的反向恢复过程，一般可以认为电力半导体器件存在三种基本关断的方式。

1.单极型器件电流的关断（如MOSFET，肖特基二极管）

单极型器件特性主要表现为多子行为，它们没有过剩载流子复合的过程，关断过程比较简单，称之为“平衡载流子关断”；

2.双极型器件电流的关断（如功率二极管，GTO，BJT等）

双极型器件中少子行为影响较大，一般通态时器件内部存在大量过剩载流子。这类器件的关断是靠复合、扫出两种机制来消失过剩载流子，恢复平衡。称之为“非平衡载流子关断”。

3.外电路的强迫关断（如SCR）

主要为四层三结半导体器件，它们强迫切断主电流，在器件体内仍有大量载流子存在，依靠复合消失。该类器件的重要任务是抗du/dt。

下面结合器件参数，重述一个理想化的功率二极管反向恢复过程来分析器件关断的物理过程。一个理想化的典型功率二极管反向恢复过程如图5-34a所示。基区的过剩载流子浓度分布的形成和消散过程是决定二极管反向恢复特性的主要因素。图5-34b给出了反向恢复过程中基区过剩少数载流子的分布变化情况。

二极管反向恢复过程可分为两个阶段：

1.过剩少数载流子清除阶段（t₀<t<t₂）

在t₀时刻以前，二极管处于导通稳态，体内存储了大量过剩载流子；在t₀时刻，二极管从导通向截止过渡，i_D开始下降，基区结边界积累的过剩载流子开始减小；至t₁时刻，i_D下降至零，结边界过剩载流子被反向抽出形成反向电流；至t₂时刻，i_D反向增大至反向恢复电流峰值I_RR，结边界积累的过剩载流子基本被清除。在此期间，二极管压降有所减小，但仍为正向，外加反向电压由吸收电路电感或杂散电感L_i和L_S承受。电流正向下降速率di_D/dt是影响I_RR的重要因素，它由外部电路的母线电压和电感决定，即di_D/dt=-U_DC/（L_i+L_s）。

2.阻断能力恢复时期（t₂<t<t₄）

当反向电流达到最大值后，少数载流子已不充分，FWD开始恢复阻断能力，反向恢复电流逐步衰减至其漏电流值。其下降速率是反向恢复过程中一个重要的参数，其大小主要由二极管本身特性所决定。dI_RR/dt和换流回路杂散电感L_S作用产生反向电压尖峰，该尖峰和母线电压一起产生很高的反向电压尖峰U_RR；t₃～t₄期间，反向恢复电流进入拖尾阶段后，电流缓慢减小至漏电流，二极管完全关断。

图5-34 典型的反向恢复过程和载流子分布示意图

上面物理过程可以通过建立数学模型来反映。

当基区在大注入条件下其内部存在电场，根据二极管双极扩散方程，电流可以通过扩散电流来表示，写成集总电荷形式有：

式中 q_M——基区载流子电荷；

T_M——运输时间；

q_E——结边界存储电荷。

它由下面方程决定：

式中 U_D——二极管结电压；

I_S——二极管的反向饱和电流。

U_Tj——温度的电压当量，U_Tj=kT_j/q；

k——波尔兹曼常数（1.38×10^-23J/k）；

q——质子电量（1.6×10^-19C）；

T_j——PN结的温度。

在室温（25℃）下，U_Tj约26mV。

关断过程的载流子电荷控制方程为

上述方程描述了N-少数载流子的消散过程。方程右边第一项表示少数载流子随着时间的变化；第二项表示在少子寿命时间τ内复合掉的少数载流子；第三项表示通过PN结扩散进入基区的少数载流子。

上面几个公式完整地描述了反向恢复过程中电荷电流关系，它将反向恢复特性分为两个阶段描述：

1.清除过剩少数载流子阶段(www.daowen.com)

二极管电流：

I_D=I_F-αt（0<t≤T₂） （5-31）

式中 α=-dI_D/dt。

此阶段，基区域存储电荷为

在T₂时刻，q_E=0，反向电流有最大值：

I_RR=-q_M（T₂）/T_M（5-33）

2.反向恢复阶段

反向恢复电流按照指数规律下降：

式中 τ_RR——恢复时间常数。

1/τ_RR=1/τ+1/T_M（5-35）

进行微分处理，并令t=T₂，则

dI_RR/dt=I_RR/τ_RR（5-36）

令t=T₂，整理公式可得

模型参数τ和T_M可根据产品手册上列出的反向恢复时间T_RR、I_RR及测试条件dI_D/dt和I_F计算出。首先有

τ_RR=（T_RR-I_RR/α）/ln10 （5-38）

然后，从上式得到参数τ，最后决定参数T_M。

基于上述数学模型以及5.4.1节中的图5-24电路参数，可得功率二极管反向恢复过程的电压和电流波形的仿真和实验结果，如图5-35所示。

归纳之，描述器件关断过程中的两个重要参数，即关断时间和关断过程电应力。

1.关断时间

t_off=td（延迟）+t_f（下降）

式中 t_d——器件获取关断指令后，载流子渡越基区，使α₁+α₂<1。电流开始下降；

t_f——导通区全部关闭。

关断时间与器件体内的少子寿命成正比，控制器件少子寿命是关键。

2.关断过程电应力

它给器件带来三种破坏作用：

（1）关断过程du/dt在结电容上产生漏电流，引起误导通；

（2）在外接绕组绝缘上引起漏电流，附加热老化等；

（3）产生相应的电应力，使器件和电机出现疲劳损坏，电应力实为一种电冲击的疲劳效应。

图5-35 二极管关断特性仿真与实验结果