電力二極管的工作原理、基本特性及主要參數(shù)

電力二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。

1工作原理

電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。

電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a) 外形b) 基本結(jié)構(gòu)c) 電氣圖形符號(hào)

二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF， 這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。

PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

齊納擊穿和雪崩擊穿區(qū)別在于：齊納擊穿可恢復(fù)，齊納二極管（穩(wěn)壓二極管）擊穿后可以自愈，是一種正常的工作狀態(tài)，齊納二極管就工作在齊納擊穿區(qū)。雪崩擊穿不可恢復(fù)，是一種非正常的工作狀態(tài)，一旦二極管工作在雪崩擊穿區(qū)，該二極管即已損壞報(bào)廢，表現(xiàn)為短路，失去半導(dǎo)體特性。當(dāng)齊納二極管的反向擊穿電流超過其允許的最大擊穿電流數(shù)倍時(shí)，齊納二極管也會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，現(xiàn)象是二極管短路報(bào)廢。

PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)的電容稱為結(jié)電容Cj，又稱為微分電容。按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。勢壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正 向電壓較低時(shí)，勢壘電容為主。擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?/p>

2基本特性

靜態(tài)特性

主要指伏安特性，正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO ），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。

伏安特性曲線

動(dòng)態(tài)特性

因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性， 并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的 開關(guān)特性。

由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置，電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能 力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。

反向恢復(fù)特性曲線

反向恢復(fù)時(shí)間：trr =ta + tb

恢復(fù)特性的軟度：tb /ta ，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr 表示。

由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置，先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。

零偏置轉(zhuǎn)正偏特性曲線

正向恢復(fù)時(shí)間tfr

出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

3主要參數(shù)

正向平均電流IF(AV)：

指電力二極管長期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。

正向壓降UF：

指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。

反向重復(fù)峰值電壓URRM：

指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

最高工作結(jié)溫TJM：

結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125～175?C范圍之內(nèi)。

反向恢復(fù)時(shí)間trr

浪涌電流IFSM：

指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。

4主要類型

按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。

普通二極管（General Purpose Diode）

又稱整流二極管（Rectifier Diode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5us以上。其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。

快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode——FRD）

恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5us以下）?？旎謴?fù)外延二極管（Fast Recovery EpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。

從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。

肖特基二極管（Schottky Barrier Diode——SBD）

屬于多子器件

優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。

弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。

當(dāng)然，除了以上幾種主要類型的二極管，還有很多其他類型的二極管，應(yīng)用領(lǐng)域也很光，這里就不做過多的說明，后續(xù)慢慢地會(huì)涉及到。二極管在電力電子技術(shù)中有著很重要地作用，基本可以說是隨處可見，但是針對(duì)不同地應(yīng)用必須選擇合適類型合理參數(shù)的二極管。

以上，便是針對(duì)二極管做了一個(gè)簡單的介紹，包括了其工作原理，工作特性以及幾種主要類型的二極管的介紹。后續(xù)很多地方都會(huì)有涉及，讓我們慢慢地去熟悉和掌握它們。