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1、第二章 功率二极管 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。AC/DCAC/DC整流整流DC/ACDC/AC逆变逆变第二章 功率二极管 2.12.1 PNPN结结2.2 2.2 功率二极管的工作原理功率二极管的工作原理 2.3 2.3 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性 2.4 2.4 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数 2.5 2.5 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型+5+4+4+4+4+4电子为多数载流子电子为多数载流子空穴为少数载
2、流子空穴为少数载流子载流子数载流子数 电子数电子数一、一、N 型半导体型半导体正离子正离子磷原子磷原子自由电子自由电子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子2.1 PN结+3+4+4+4+4+4电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数二、二、P 型半导体型半导体空穴空穴 多子多子硼原子硼原子空穴空穴负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。PN结的形成 PN结的单向导电性（1 1）PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态 外加正向电压，空间电荷区变窄，PN结导通。（2 2）PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 外加反向电压，空间电
3、荷区变宽，PN结截止。（3 3）PNPN结的反向击穿结的反向击穿 当反压大到一定程度时，反向电流会突然增加反向击穿。有雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿和齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。功率二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引
4、线封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如图所示。功率二极管的结构和图形符号 2.2 功率二极管的工作原理功率二极管的工作原理 功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形，如图所示。(a)螺栓型；(b)平板型(b)功率二极管的外形 功率二极管和电子电路中的二极管工作原理一样，即若二极管处于正向电压作用下，则PN结导通，正向管压降很小；反之，若二极管处于反向电压作用下，则PN结截止，仅有极小的可忽略的漏电流流过二极管。经实验测量可得功率二极管的伏安特性曲线，如下图所示。2.3 2.3 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性静态特性静态特性-主要指其伏安特性伏安特性 功率二极管的伏安特性 当电力二极
5、管承受的正向电压大到一定值（门槛电门槛电压压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流IRR。正向正向导通导通反向反向击穿击穿反向截反向截止状态止状态PIN功率二极管的基本特性 PIN二极管，P区和N区之间夹一层本征半导体或掺杂低浓度杂质的半导体。是一个多区的半导体器件，只有两个电极。其中本征区并非是纯净的半导体材料，而是由轻度掺杂的N型半导体组成的。由于它的载流子浓度很低不能提供电流，因此被统称为本征区。PIN功率二极管的基本特性 反向偏置时，“本征”区的阻值很高，空间电荷区可仅限于N区域；正向偏置时，空间电荷区主
6、要是P-N结，P区和N区的载流子同时注入到本征区，但本征区的掺杂浓度比较低，电子和空穴不会立刻进行复合，会延迟一段时间，本征区会存在大量的载流子，故本征区的电阻很低。PIN功率二极管的开关特性 当二极管中的电压、电流缓变时，我们可以用静态特性伏安特性来描述。但是，当二极管的电压、电流发生突变时，器件中的载流子分布与静态条件下的情况有着显著的差异。二极管在动态开关的过程中会产生显著的损耗，特别是工作在高频状态下。PIN功率二极管的开关特性区间中，稳定截止。区间中，流过正向电流，先给反偏置的结电容充电结电容充电，导通之初，正向电压过冲过冲，随后产生电导调制效应电导调制效应，本征区电阻下降，压降减小
7、，最终平衡，压降值稳定，电流值稳定。区间中，稳定导通，通态电压很低。PIN功率二极管的开关特性区间中，二极管开始关断，外加反向电压，N区域中还存在大量少数载流子空穴，内建电场还是正向，只有少数的载流子复合消失或者扩散出去后，P N结才可以建立。因此，二极管还处于正向偏置状态。在结束的时刻，N区域中少数载流子已经被完全抽走，这时，P N结开始反向偏置，承受反向电压。PIN功率二极管的开关特性区间中，二极管处于反向关断状态，承受反向电压。区间中，反向电流给二极管的结电容充电，在结束的时候，结电容充电到二极管反向阻断电压，此时，流过二极管的电流为零。动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压-电流特
8、性电流特性 随时间变化的随时间变化的 结电容的存在结电容的存在b)正向偏置转换为反向偏置 正向恢复时间：tfr延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。快速恢复二极管快速恢复二极管开关特性开关特性a)零偏置转换为正向偏置UFPuiiFuFtfrt02VIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURMIRMdiFdtdiRdt正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个固定值。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。开通过程：开通过程：关断
9、过程（加反向电压关断过程（加反向电压UR）须经过一段短暂的时间才能重新 获得反向阻断能力，进入截止状态。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。b)关断过程 a)开通过程UFPuiiFuFtfrt02VIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURMIRMdiFdtdiRdt快速恢复二极管快速恢复二极管开关特性开关特性2.4 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数1.正向平均电流正向平均电流IF 在在指指定定的的管管壳壳温温度度（简简称称壳壳温温，用用TC表表示示）和和散散热热条条件件下下，其其允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波波电流的平均值。电流的平均值
10、。正正向向平平均均电电流流是是按按照照电电流流的的发发热热效效应应来来定定义义的的，使使用用时时应应按按有有效效值值相相等等的的原原则则来来选选取取电电流定额，并应留有一定的裕量。流定额，并应留有一定的裕量。当当用用在在频频率率较较高高的的场场合合时时，开开关关损损耗耗造造成成的的发热往往不能忽略。发热往往不能忽略。2.正向压降正向压降UF指指电电力力二二极极管管在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的稳态正向电流时对应的正向压降的稳态正向电流时对应的正向压降3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指指对对电电力力二二极极管管所所能能重重复复施施加加的的反反向向最最高高峰峰值电
11、压值电压通常是其雪崩击穿电压通常是其雪崩击穿电压UB的的2/3使使用用时时，往往往往按按照照电电路路中中电电力力二二极极管管可可能能承承受的反向最高峰值电压的两倍来选定受的反向最高峰值电压的两倍来选定 2.4 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数4.最高工作结最高工作结温温TJM结温是指管结温是指管芯芯PN结的平均温度结的平均温度最最高高工工作作结结温温是是指指在在PN结结不不致致损损坏坏的的前前提提下所能承受的最高平均温度。下所能承受的最高平均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。5.反向恢复时间反向恢复时间trrtrr=td+tf，关关断断过过程程中中，电电流流降
12、降到到零零起起到到恢复反向阻断能力为止的时间。恢复反向阻断能力为止的时间。2.4 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数2.5 2.5 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的分为几类。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型1.1.普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）；多用于开关频率不高（1kHz1kHz以下）的整流电路中，工作频率较低；其反
13、向恢复时间较长，一般在25 5 s s左右，这在开关频率不高时并不重要；正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2.2.快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 5 s s以下）的二极管，简称快速二极管；工艺上多采用了掺金措施，但正态导通压降有所升高；快恢复二极管常用于高频电路的整流，应该根据电路的特点和工作频率来选择和使用快恢复类的功率二极管。2.2.快恢复二极管快恢复二极管功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级
14、。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管。20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。它适用于较低输出电压和要求较低正向管压降的换流器电路换流器电路中。3.3.肖特基二极管（肖特基二极管（SBDSBD）肖特基功率二极管结构利用金属与半导体之间的势垒制成的二极管特性不存在少数载流子和电荷存储的问题低导通电压，短开关时间；反向漏电流大，阻断电压低。应用适合于高频低压应用适合于高频低压应用3.3.肖特基
15、二极管（肖特基二极管（SBDSBD）肖特基二极管的肖特基二极管的弱点弱点当反向势垒比较薄，极易发生反向击穿，故反向电压比较低，因此多用于200V200V以下；反向漏电流较大且对温度敏感具有负温度系数，不适于直接并联使用，容易烧坏。肖特基二极管的肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（1040ns1040ns）；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管开关损耗、通态损耗都比快速二极管小，效率高。3.3.肖特基二极管（肖特基二极管（SBDSBD）砷化镓功率二极管砷化镓功率二极管 第二代的化合物半导体。与第一代硅半导体相比，有利于在较较高高温
16、温度度下下工工作作；有利于器件小型化。但是，工作电压低于低于600V600V。碳化硅功率二极管碳化硅功率二极管 第三代的宽禁带半导体。热传导率约是硅的3倍，更更适适合合于于高高温温应应用用；碳化硅临界电场强度是硅材料的10倍，更更适适合合于于高高压压应应用用。碳化硅肖特基功率二极管结电容很小，基本没有反向恢复电流，开关损耗很低基本没有反向恢复电流，开关损耗很低。4.4.功率砷化镓和碳化硅二极管功率砷化镓和碳化硅二极管电子镇流器节能灯任务任务2(15分分)1、两图中任选一个，讲解电子镇流器/节能灯的工作原理(5分)3、什么是换流器(2分)4、列举一个换流器的例子并说明是如何工作的（5分）（需要说明它的工作原理）备注：备注：1以课件的形式完成本次任务（不以课件完成扣以课件的形式完成本次任务（不以课件完成扣10分）分）2课件的讲解时间至少课件的讲解时间至少15分钟分钟(低于低于10分钟扣分钟扣5分，分，1015分钟扣分钟扣3分分)3讲解人员采取自荐方式，若无人自荐，教师点名讲解讲解人员采取自荐方式，若无人自荐，教师点名讲解(拒绝讲解的扣拒绝讲解的扣 除除10分分)主要内容：主要内容：2、画出电子镇流器/节能灯的主要信号传输的波形图(3分)