电力二极管：击穿、阻断及电感效应

电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器（Semiconductor Rectifier，SR），属于不可控器件。由于其结构和工作原理简单、性能可靠，因而在需要将交流电变为直流电且不需要调压的场合广泛使用，如交-直-交变频的整流、大功率直流电源等。

2.1.1 电力二极管的结构与基本原理

电力二极管基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础，是由一个面积较大的PN结（PN-junction）和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓形和平板形两种封装。如图2-1（a）左边的为螺栓形，右边的为平板形；图2-1（b）为电力二极管的结构图；图2-1（c）为它的电气图形符号。

图2-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号

电力二极管由P型半导体和N型半导体结合成一体，其中，N型半导体区电子浓度大，P型半导体区空穴浓度大，因此，N区电子要向P区扩散与P区空穴复合，在N区边界侧留下正离子层，P区空穴要向N区扩散与N区电子复合，在P区边界侧留下负离子层。在交界处逐渐形成空间电荷区，正、负离子层形成内电场，促进少数载流子漂移运动，即N区空穴漂到P区，P区电子漂移到N区，同时，阻碍多数载流子的扩散运动。最终，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，形成PN结。

电力二极管和信息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。

2.1.2 电力二极管的基本特性

1.静态特性

电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性曲线，如图2-2所示。当外加正向电压大于门槛电压UTO时，电流开始迅速增加，二极管开始导通。与正向电流IF对应的二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当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。当反向电压增大到一定数值，反向电流剧增，电力二极管击穿。

图2-2 电力二极管的伏安特性曲线

2.动态特性

因为PN结存在结电容，所以零偏置、正向偏置、反向偏置三种状态之间转换必然有一个过渡过程。动态过程是指电力二极管上电压、电流随时间变化的特性。

电力二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的动态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。上述现象表明大功率二极管在开通初期呈现出明显的电感效应，无法立即响应正向电流的变化。

图2-3（a）所示为电力二极管由零偏置转为正向偏置开通过程中的管压降和正向电流的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的电力二极管上承受的峰值电压UFP比稳态管压降UF高得多，有时达到几十伏。

图2-3（b）所示为电力二极管内正向偏置导通状态转换为反向偏置关断状态的电压、电流波形。tF时刻二极管的外加电压反向，正向电流iF开始下降，由于电导调制效应，其管压降变化不大，至t0时刻，iF下降至零，此后反向增长，在这个时间段内二极管仍维持一个正向偏置的管压降。t1时刻反向电流达其峰值IRP，然后逐步衰减，至t2时刻恢复阻断，图中trr =t2 -t0为反向恢复时间。这样的电流、电压波形是由于电力二极管内载流子或电荷分布与变化的结果。t0时刻后，尽管流过的电流已反向，但二极管仍正向偏置，决定了管内PN结存储的电荷仍是一个正向分布。从正的电荷分布到能承受反压，需要花时间来改变这个电荷分布，也就产生了关断时延td。电荷变化的大小决定了反向恢复电流的峰值IRP，所以正向电流IF越大，总的电荷变化也越大，IRP也越大。随着载流子或电荷的消失，二极管电阻增大，最终阻断反向恢复电流。如果反向电流很快下降至零，将会在带电感的电路中感应出一个危险的过电压，从而危及二极管的安全，必须采用适当吸收电路来加以保护。

图2-3 电力二极管的动态特性

2.1.3 电力二极管的主要参数

1.正向平均电流IF(AV)(www.xing528.com)

电力二极管的正向平均电流IF(AV)是指在规定的管壳温度和散热条件下允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。实际应用中，若电力二极管所流过的最大电流有效值为I，则其额定电流一般选择为

式中，系数1.5~2是安全系数。

2.正向压降UF

正向压降UF是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。

3.反向重复峰值电压URRM

反向重复峰值电压URRM是电力二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。一般在选用电力二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍为准则来选择反向重复峰值电压。

4.反向恢复时间trr

反向恢复时间trr是指电力二极管从所施加的反向偏置电流到完全恢复对反向电压阻断能力的时间。

5.浪涌电流IFSM

浪涌电流IFSM是指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

2.1.4 电力二极管的主要类型

电力二极管在电路中有整流、续流、隔离、保护等作用。因电力二极管按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同可进行不同分类，故应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。当然，从根本上讲，性能上的不同都是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。下面按照其性能，介绍几种常用的电力二极管。

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（1 kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5 μs以上，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。多用在电镀、充电等整流电路中。

2.快恢复二极管

快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5 μs以下），也简称快速二极管。工艺上多采用掺金措施，有的采用PN结型结构，若采用外延型PN结构的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED），则其反向恢复时间更短（可低于50 ns），正向压降也很低（0.9 V左右），但其反向耐压多在400 V以下。快恢复从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100 ns以下，甚至达到20～30 ns。二极管主要用在逆变、斩波电路中。

3.肖特基二极管

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 Diode，SBD），简称为肖特基二极管。20世纪80年代以来，肖特基二极管由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。

肖特基二极管的优点是：反向恢复间很短（10～40 ns），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；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的缺点是：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200 V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。