电力二极管的基本性质及特征

（1）静态特性

图1.6　电力二极管的伏安特性

电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图1.6 所示。当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压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。

（2）动态特性

由于结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN 结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随着时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。这个概念虽然由电力二极管引出，但也可以推广至其他各种电力电子器件。1）开通特性

电力二极管在开通初期会出现较高的瞬态压降，经过一定时间后才能处于稳定状态，并具有很小的管压降。图1.7 所示为电力二极管的正向恢复特性曲线。图1.7（a）为管压降随时间变化的曲线，其中UFP为正向峰值电压，tfr为正向恢复时间。图1.7（b）为电力二极管开通电流的波形，电流上升率用diF/dt 表示。由图1.7（a）可知，在正向恢复时间内，正在开通的电力二极管具有比稳态大得多的峰值电压UFP。实验表明，当正向电流上升率超过50 A/μs时，在某些高压电力二极管中可以测得几十伏的电压值。一般，电压高于600 V、电流大于100 A 的快速恢复二极管中具有较高的瞬态压降。这一概念在普通整流二极管中是不曾出现的，但这一概念非常重要。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的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大。

②正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越大。

(www.xing528.com)

图1.7　电力二极管的正向恢复特性

当电力二极管由反向偏置转换为正向偏置时，除上述时间外，势垒电容电荷的调整也需要更多时间来完成。

2）关断特性

图1.8　反向恢复过程中电流和电压波形

正在导通的电力二极管突然加一反向电压时，反向阻断能力的恢复也需要经过一段时间，在未恢复阻断能力之前，电力二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特性。其反向恢复过程中的电流和电压波形如图1.8 所示。图中IRM为最大反向恢复电流，Q2 为反向恢复电荷，trr为反向恢复时间。这三个参数在电路设计中是最重要的参数。下面讨论反向恢复过程。

由图1.8 可知，从tF 开始，已经导通的电力二极管加反向电压E，原来导通的正向电流IF 以diF/dt 的速率减小。这个电流变化率由反向电压和开关电路中的电感决定，而管压降由于电导调制效应基本不变，直至正向电流降为零的时刻t0。此时电力二极管由于在PN 结两侧储存有大量少子的缘故而并没有恢复反向阻断能力，这些少子在外加反向电压的作用下被抽取出电力二极管，因而流过较大的反向电流。当空间电荷区附近的储存少子即将被抽尽时，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，反向电流从其最大值IRM开始下降，空间电荷区开始变宽，电力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，由于反向电流迅速下降，在外电路电感的作用下会在电力二极管两端产生比外加反向电压大得多的反向电压过冲URM。在电流变化率接近于零的t2 时刻，电荷Q2 被抽完，电力二极管两端承受的反向电压才降至外加电压E 大小，电力二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。

时间td=t1-t0 被称为延迟时间，tf=t2-t1 被称为电流下降时间，而时间trr=td+tf 则被称为电力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 被称为恢复特性的软度，或者恢复系数，用Sr 表示。Sr 越大则恢复特性越软，实际上就是指反向电流下降时间相对较长，因而在同样的外电路条件下造成的反向电压过冲URM较小。

电力二极管在低频状态下工作时可以不考虑其动态过程，而在高频状态下工作时，必须考虑其动态特性和动态参数的影响。