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1、【编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。本刊从今年4月份开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。电力电子器件知识讲座(二)快速功率二极管武汉雷升电子公司乔恩明(供稿)本刊编辑部张乃国(改编)收稿日期：2011-03-06二极管是一种由PN结构成的两端器件。功率二极管是一种PN结面积比较大的二极管(一般指电流容量在1A以上的二极管)，多用硅材料做成。它分为低频功率二极管和高频功率二极管。低频
2、功率二极管主要用于50Hz电源整流，高频功率二极管主要用于高频整流电路、传递无功功率的续流电路和功率开关的缓冲电路。目前比较成熟的产品有PN型、PIN型快速恢复二极管和功率肖特基二极管。1快速功率二极管工作原理1.1结构与工作原理二极管的核心是PN结，PN结最基本的特性是单向导电性。因此二极管最适于做成将交流电变为直流电的整流二极管。二极管的图形符号如图1(a)所示，PN结的P端引线称为阳极A，PN结的N端引线称为阴极K。当二极管(即PN结)接上正向电压(简称正偏)时，即阳极A(P)接电源正端，阴极K(N)接电源负端，二极管导电，电流从A(P)流至K(N)；当二极管即PN结接上反向电压(简称反
3、偏)时，A(P)接电源负端，K(N)接电源正端，二极管不导电(简称截止或阻断)。(1)正向接法二极管的正向接法见图1(b)，PN结外加电压所产生的外电场EC与内电场Ei方向相反，因此PN结的内电场被削弱。其PN结等效正向电阻很小，管子两端正向电压降仅约1V左右(大电流硅半导体电力二极管超过1V，小电流硅二极管仅0.7V，锗二极管约0.3V)。这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态(通态)的开关。(2)反向接法二极管的反向接法见图1(c)，PN结外加电压所产生的外电场Ee与原内电场Ei方向相同。外电场使原内电场更增强，其PN结等效正向电阻很大，因此反偏时二极管电流极小。这个电流称为二极管的反
4、向电流，也称为反向饱和电流Is。1.2特性与参数(1)静态特性理想的二极管静态伏安特性曲线如图2中的曲知识讲座doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2011.05.01447线所示。但实际上二极管静态伏安特性为图2的曲线，从中可以看出：二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压UT(UT又称死区电压)。当外加电压小于死区电压时，外电场不足以克服PN结内电场。因此正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压UT约为0.5V，锗二极管约为0.2V。当外加电压大于UT后内电场被大大削弱，电流才会迅速上升。当二极管外加反向电压UR但还不超过某一临界击穿电压值URBR时才会使反向电流IR保持为反
5、向饱和电流Is。实际二极管的反向饱和电流Is是很小的。但是当外加反向电压超过URBR后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。工作时若无特殊的限流保护措施，二极管被电击穿后将造成PN结的永久损坏而丧失单向导电能力。为防止二极管出现电击穿，使用中通常只允许施加于二极管的最高反向工作电压为其击穿电压URBR的1/2。在高频开关状态下工作时，PN结的高频等效电路如图3所示，图中R表示PN结的电阻。C表示PN结的电容，R、C不仅与二极管本身结构和工艺有关，还与外加电压方向有关。当PN结处于正偏时，R为正向电阻。其值很小，结电容C很大。当PN结处于反偏时，R为反向电阻，其值很大，但这时结电容很小。从图3可知，
6、由于存在结电容C，二极管从导通状态(C很大，存储电荷多)转到截止阻断状态时，需要一定的时间消存储电荷Q以后，二极管才能恢复反向阻断电压的能力而处于截止状态，然后在反向电压作用下，仅流过很小的反向饱和电流IS。(2)主要参数最大允许反向重复峰值电压URRM。该参数是指二极管能够允许瞬时峰值的最大值，也被定义为二极管的额定电压URR。显然URRM(或URR)应小于二极管的反向击穿电压URBM。额定电流IFR。该参数被定义为其额定发热所允许正弦半波电流的平均值。当二极管采用规定的散热器，在规定的环境温度和散热条件下工作，通过正弦半波电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。最大允许的全周期方
7、均根正向电流IFrms。当二及管流过半波正弦电流的平均值IFR时，与其发热等效的全周期方均根正向电流为IFrms。若正弦电流的最大值为Im，则正弦半波电流平均值为IFR=1TT/20乙Imsin(t)dt=1T0乙Im(t)d(t)(a)图形符号图3PN结高频等效电路(c)反向接法图1半导体二极管的图形符号及正、反向接法(b)正向接法图2二极管的伏安特性知识讲座48=120乙Im(t)d(t)1Im(1)2f=2/T(2)式中：Im为正弦电流的峰值；T为正弦波周期；为角频率。全周期方均根电流IFrms为IFrms=2IFR=1.57IFR(3)例如，如果手册上给出某功率二极管的额定电流IFR为
8、100A，由式(1)、式(2)得到允许通过正弦半波的幅值电流Im=IFR=314A，允许通过任意波形的有效值为IFrms=1.57IFR=157A。式(1)、式(3)表明额定电流为100A的二极管可以通过幅值为314A的半波正弦电流，可以在全周期内通过任意波形的有效值为157A的电流，其功耗发热不会超过允许值。最大允许非重复浪涌电流IFSM。这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管整流器抗短路冲击电流的能力。显然浪涌电流必须限制在短路时间以内，例如8.310ms(f=6050Hz的半周期)，在此期间过电流保护系统应该切断短路电流。最大允许的PN
9、结结温jm和管壳温度cm。结温jm通常为150200，管壳温度取决于二极管的功耗和结-壳热阻、壳-散热器热阻及环温。结-壳、壳-散热器热阻Rjc、Rcs(/W)。这些参数用于设计散热系统和选择散热器。反向恢复时间trr。图4(a)示出二极管外电路有正电压USF，二极管正偏导通时，阳极A电位高于阴极K电位，二极管在外电源电压USF作用下经外电阻R、电感L流过的正向电流ID=IF，这时二极管两端电压降UD很低(12V)，PN结电容存储电荷Q。如果在t=t1时见图4(e)，外电源电压突然反向(反偏)为USR，如图4(b)所示，二极管电流到零(t=t2时)，但这时PN结电容存储的电荷Q并不能立即消失，
10、二极管电压仍为UD12V，二极管仍然具有导电性。在反向电压USR作用下，反向电流IR从零增加到最大值IRM(t=t3时)，反向电流IR使存储电荷逐渐消失，UD降为零，然后PN结反向阻断能力逐渐恢复，反向等效电阻迅速增大而使反向电压增大到URM，反向电流则从IRM衰减到二极管的反向饱和电流值IS(微安级)。如果在t4时反向电流已衰减到10%IRM，图4(e)中的时间段trr(trr=t4t2=ta+tb)定义为二极管反向恢复时间。在trr(t2t4)期间，二极管处于反向电流导电状态，因此，二极管正向导电电流为零后并不能立即具有阻断反向电压的能力，必须在经历trr时间后才能恢复其阻断反向电压的能力
11、。二极管从导通到截止(阻断反向电压)过渡期间的反向恢复时间trr以及最大反向电流值IRM与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IF所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流didt等有关。普通二极管的trr=210s，快速恢复二极管的trr为几十至几百纳秒(ns)，超快恢复二极管的trr仅几个纳秒。trr值越小，二极管工作频率的上限可以越高。用于电力变换和电力控制电路中的功率二极管，正向导通流过额定电流IFR时的电压降UFR一般不超过12V，相对于变换电路的额定工作电压要小得多。因此在分析计算电力变换电路特性和波形时，二极管的正向电压降UFR一般可忽略不计，但处于额定正向电流时的功耗及其发热
12、却不容忽图4二极管开关特性知识讲座49略，在电力电子变换器中半导体电力开关器件的功耗、发热及散热都是需要妥善处理的问题。(3)二极管的电路图形符号普通二极管在电路中常用字母“VD”加数字表示，如VD5表示编号为5的二极管，稳压二极管在电路图中用字母“VS”表示。二极管在电路图中的图形符号如图5所示。2快速二极管的选择与应用2.1二极管的选择开关稳压电源整流电路及脉冲整流电路中使用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢复时间较短的整流二极管(如RU系列、EU系列、V系列等)或快速恢复二极管。在低压(200V以下)大电流(500A以下)的开关电路应用中，肖特基二极管是十分理想的开关器件。它不仅开
13、关特性好，允许工作频率高，而且正向压降相当小(0.5V)，因此在大电流、低电压的电力电子变换系统中应是首选器件。半导体电力二极管属于功率最大的半导体器件，其最大额定电压在6kV、电流6kA以上。当然额定电压最高的二极管，其额定电流不一定最高，反之亦然。2.2二极管应用电路二极管主要应用在以下场合：整流、检波、隔离、保护和限幅等，此时不给二极管加正向偏置电压；简易的稳压、温度补偿、偏置等，此时要给二极管加正向偏置电压。(1)二极管整流电路二极管整流电路就是利用二极管单向导电的特性，将交流电变换为脉冲直流电的电路。二极管桥式整流电路二极管桥式整流电路由变压器和4个同型号的二极管接成电桥形式而组成，
14、如图6所示，图中T图5二极管在电路图中的图形符号(b)桥式整流电路简化图(c)简化桥式整流电路波形图图6二极管桥式整流电路(a)桥式整流电路知识讲座50是变压器，其作用是将电网上的交流电压u1变为整流电路要求的交流电压u2，RL是要求直流供电的负载电阻。二极管桥式整流电路中的电流路径如图7所示。桥式整流中负载所获得的直流电压为u0=20.45u2=0.9u2，流过负载RL上的直流电流为：iL=22姨u2RL=0.9u2RL流过二极管的平均电流为：i0=iL2=2姨u2RL=0.45u2RL二极管所承受的最大反向电压为：URM=2姨u2。(2)二极管倍压整流电路顾名思义，“倍压整流”就是把较低的
15、交流电压用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。在对电源质量要求不是很高且功率要求也不是很大的地方，常使用倍压整流电路。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。图8所示的是一个二倍压整流的典型应用电路。二倍压整流电路由变压器T、两个整流二极管及两个电容器C1、C2组成。其工作原理为：u2为正半周时，VD1导通，VD2截止。在理想情况下，电容C1的电压充到2姨u2；u2为负半周时，VD2导通、VD1截止。在理想情况下，电容C2的电压充到2姨u2，所以，负载上的电压为22姨u2，它的值是变压器二次绕组输出电压的两倍，所以叫做二倍压整流电
16、路。在实际电路中，负载上的电压uo=21.2u2。(3)二极管开关电路由于二极管具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极，而不能从阴极流向阳极。因此当电流由阳极流向阴极时，二极管呈导通状态，没有电阻，对电流的流通毫无阻碍；反之，当电流企图从阴极流向阳极时，二极管呈断路状态，如同一只断开的开关，使电流无法流通。因而，可以将二极管作为一种特殊的开关器件，组成各种逻辑电路，应用在各种需要自动开关控制的电路中。图9所示是二极管作为开关应用时的典型电路。图9中，二极管VD1为防止电源极性接反的电子开关。当电源极性接反时，二极管不导通，电压不能加到后面的稳压电路中，保护后面的稳压电路不会因电源电压极性接反
17、而损坏；当电压极性正确时，二极管导通，电源电压正常进入后级电路。二极管VD2的作用是用来防止在输入端电源断开时，电容器C3中存储的能量从稳压器输出端向稳压器放电而导致稳压器损坏。在输入端有电压输入时，二极VD2管截止，对电路正常工作无影响；当输入端电压断开时，二极管导通，将电容器C3中图8二倍压整流电路的典型应用电路(a)正半周电流回路(b)负半周电流回路图7二极管桥式整流电路中的电流路径知识讲座51的电荷泄放掉，保护稳压集成电路不会因电流倒灌而损坏。二极管VD3的作用是输出端短路保护二极管。在负载正常时，二极管VD3截止，对电路正常工作无影响；当负载短路时，C2中的电荷将向稳压器调整端ADJ
18、放电，并使内部的调整管发射结反偏。此时导通，用来为C2提供放电通路，起保护稳压器的作用。(4)二极管续流电路续流二极管在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用。二极管续流电路如图10所示。大家知道，流经线圈的电流变化时，线圈会产生自激电压来抑制电流的变化，当线圈中的电流变化越快时，所产生的电压越高。图10中，二极管VD2是续流二极管。在三极管VT1导通时，继电器得电吸合，此时二极管VD2因为两端加的是反向偏压而截止，不影响电路工作。当三极管VT1由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时继电器的线圈上就会感生出一个较大的自感电压，它因与电源电压方向相同而叠加，然后加在三极管
19、的集电极、发射极两极间，故很可能击穿三极管。而这个自感电压与电源电压之和对二极管VD2来说却是正向偏压，使此二极管导通，形成环流，将继电器线圈上产生的感应电动势短路掉，使加到三极管VT1上的电压基本上还是电源电压，保证了三极管的安全。续流二极管的最高反向工作电压应为电源电压的10倍。安装续流二极管时一定要注意二极管的极性不可接反，否则容易损坏三极管等驱动元器件。(5)二极管隔离电路由于二极管具有单向导电性，电流只能从正极流向负极，而不能从负极流向正极，因此在有些电路中通常用二极管对电路中的两部分电路进行隔离。图11所示电路是二极管作为隔离二极管的典型应用电路。在图11所示电路中，当交流适配器正
20、常输出10V交流电压时，该10V交流电压经过由4个二极管组成的整流桥整流后输出14V左右的直流电压。该电压加在二极管VD1的负极，使此二极管的负极电压高于正极电压(12V)，二极管截止，负载通过交流适配器直接供电，此时交流适配器输出的电压还通过一个100的电阻对12V蓄电池进行充电。当交流适配器不能输出10V交流电压时(如市电停电时)，二极管的负极电压消失。由于二极管正极电压一直为+12V，二极管导通，后图9二极管作为开关应用时的典型电路图10二极管续流电路图11二极管作为隔离二极管的典型应用电路（下转第58页）知识讲座52面的负载通过蓄电池继续供电。在此电路中，二极管的作用就是将蓄电池在交流
21、适配器正常输出电压时与负载电路隔离开，延长蓄电池的寿命。(6)二极管缓冲与保护电路功率二极管RC缓冲电路如图12所示。图中功率二极管从通态转到断态，在正向电流降为零而反向阻断能力尚未恢复期间，载流子反向恢复过程中会流过反向电流iR，iR上升到峰值后会迅速下降，这时既使线路上的杂散电感L很小，也会产生很大的感应电动势作为反向电压加到正在恢复反向阻断能力的二极管上，很可能损坏二极管。通常在二极管两端并联一个简单的RC缓冲电路保护二极管。电容C用以减小开关两端的反向电压dudt，R用以抑制L、C电路振荡，并减小电容C经VD放电时的放电电流。笮图12功率二极管RC缓冲电路为IC1提供偏置。LED电流在
22、感测电阻RSENSE上产生一个204mV的设定值电压。IC1滑动片设置N=063，滑动片上的电压为UWIPER=(5V/63)N。根据图10，下面等式成立：(UWIPER0.204)/RA=(0.204ILEDRSENSE)/RB若选取RA=25.5k，抽头在顶部位置时，UWIPER=5V，N=63，ILED=0，则RB值为：RB=25.50.204/(50.204)=1.085(k)RB可以选择标准的1.07k(1%系列)或1.1k(5%系列)。当滑动片在底部位置时，UWIPER=0V，ILED=200mA，RSENSE值为RSENSE=0.204+0.204(1.085/25.5/0.2=1.063()RSENSE可从1%系列中选择1.07的电阻。随着电位器抽头位置的增加，LED电流将从200mA降为零，线性误差不大于8%。笮图8PGA2311用于音响设备的实际电路图9采用数字电位器DS1869来调节LED亮度的电路(上接第52页)知识讲座58