功率二极管

功率二极管自20世纪50年代初期获得应用，虽然是不可控型器件，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍大量用于各种电气设备中。特别是快恢复二极管和肖特基二极管，在中、高频整流和逆变电路中具有不可替代的作用。

功率二极管除电压、电流等参数与电子电路中的二极管有较大差别外，其基本结构和工作原理都是相同的，同样是以半导体PN结为基础。二极管实际上是由一个面积较大的PN结合两端引线以及封装组成的。功率二极管的外形、结构和电路符号如图3-1所示。从外形上看，功率二极管主要有螺栓型和平板型两种封装，现在都已采用模块化封装，如图3-2所示。

图3-1 功率二极管

（a）外形；（b）结构示意图；（c）电路符号

图3-2 功率二极管模块

1. 二极管的基本特性及主要参数

（1）静态特性

二极管的静态特性（即伏安特性），如图3-3所示。当功率二极管承受的正向电压达到一定值（门槛电压UTO），正向电流 IA 才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流 IA 对应的功率二极管两端的电压UA即为其正向导通压降。当功率二极管承受反向电压UB时，只有少数载流子引起的微小的漏电流，其数值基本不随电压而变化。当反向电压超过一定数值后，二极管的反向电流迅速增大，引起雪崩击穿。

（2）动态特性

因为结电容的存在，功率二极管在零偏置（外加电压为零）、正向偏置和反向偏置三种状态之间转换的时候，会经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定的时间来调整其带电状态，因而其电压—电流特性不能用前述的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是功率二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。这种动态特性的概念虽然由功率二极管引出，但可以推广应用在其他电力电子器件。

功率二极管由正向偏置转换为反向偏置时的动态过程如图3-4所示。当原处于正向导通状态的功率二极管外加电压从正向变为反向时，该功率二极管并不能立即关断，而是经过一个短暂的时间才能获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲，这是因为正向导通时在PN结两侧储存的大量少子需要被清除才能达到反向偏置稳态。

图3-3 功率二极管伏安特性

图3-4 功率二极管的关断过程

由图3-4可以看到，在t F时刻外加电压由正向变为反向，正向电流在反向电压的作用下开始下降，下降速度由反向电压的大小和电路中的电感决定，而管压降由于电导调制效应基本变化不大，直至正向电流为零的时刻t0，此时功率二极管由于在PN结两侧（特别是多掺杂N区）储存有大量少子而没有恢复反向阻断能力。当空间电荷区附近储存的少子即将被抽尽时，管压降变为负极性，于是开始抽取离空间电荷区较远的浓度较低的少子。因而在管压降极性改变后不久的t1时刻反向电流从最大值IRP开始下降，空间电荷区迅速变宽，功率二极管开始重新恢复对反向电压的阻断能力。在t1时刻以后由于反向电流下降，在外电路电感的作用下会在功率二极管两端产生比外加反向电压大得多的反向电压过冲URP。在电流变化率接近于零的t2时刻，功率二极管两端承受的反向电压才降至外电压大小，功率二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。时间 td=t1 -t0称为延迟时间，时间 tf=t2 -t1为电流下降时间，而时间trr=td+tf为功率二极管的反向恢复时间。其下降时间与延迟时间的比值 tf/td被称为恢复系数，用 Sr表示。 Sr越大，则称恢复特性较软，即反向电流下降时间相对越长，因而在相同的外电路条件下造成的反向电压过冲较小。

图3-5 功率二极管的导通过程

功率二极管由零偏置转换为正向偏置的动态过程波形如图3-5所示。在这一过程中，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP ，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（2 V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间frt 。出现电压过冲的原因是：

① 电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定时间来存储，在达到稳态导通之前的管压降较大。

② 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大的压降。电流上升速率较大，UFP越高。当功率二极管由反向偏置转换为正向偏置时，势垒电容电荷的调整也需要较多时间来完成。

2. 功率二极管的主要参数

（1）正向平均电流IF(AV)

该参数是二极管电流定额中最为重要的参数，它是在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。快恢复二极管通常采用占空比为一定数值（通常为0.5）的方波电流的平均值标注二极管的额定电流。二极管的结温（或壳温）是限制其工作电流最大值的主要因素之一，因此在实际使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并同时考虑器件的散热条件。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略，因此即使不考虑安全裕量，二极管通常也必须降额使用。

（2）反向重复峰值电压URRM

反向重复峰值电压是对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压的2/3。使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的2倍来选定此项参数。

（3）正向压降UF

正向压降是指在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时所对应的正向压降。正向压降越低表明其导通损耗越小。通常耐压值低的二极管正向压降较低，普通整流二极管压降低于快恢复二极管。二极管的正向压降具有负温度系数，它随着温度的上升而略有下降。

（4）最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度，通常在125 ℃～175 ℃之间。

（5）浪涌电流ISFM

浪涌电流是指功率二极管所能承受的最大的连续的一个或几个周期的过电流。

在一定的工艺和材料水平下，二极管的反向恢复特性与正向通态压降存在折中关系，反向恢复特性好的器件通常正向压降较高，许多厂家一般都有多个产品系列供用户选择以适应不同场合的应用要求。