功率二极管原理与应用

　　1、 功率二极管的基本特性
   　　图1（a）和图1（b）所示为功率二极管的电路符号和静态伏安特性。我们已经知道，当二极管处在正向电压作用下，管子两端正偏压很小（约1V左右）时便开始导通；若二极管两端加以反向电压时，在被击穿前仅有极小的可忽略不计的泄漏电流流过器件；正常工作时，加在二极管上的反向电压应小于击穿限定电压值。
   　　根据二极管在阻断状态（反向电压下）时仅有极小的漏电流和在导通状态时管压降很低的特点，比较其工作过程中的电压和电流的变化，我们可以得到它的理想伏安特性，如图1（c）所示。该理想特性可用于换流器的基本结构和工作原理分析。但是在要求有二极管精确模型的电路分析或实际换流器的设计中（例如，当估算器件的散热条件时，必须知道管子的正向压降，尽管该参数值可能很小），常用另一种理想特性表示，如图2（a）所示，对应的等效电路如图2（b）。图2（b）中E代表二极管的正向导通偏压，电阻RD表示正向导通时的等效电阻。作为基础性原理介绍，在以后的电路分析中涉及二极管时，我们均采用理想特性图1（c）进行简化替代。
   　　
   　　由于二极管的导通速度相对电力电路的暂态变化过程来说要快得多，因此可把二极管看成理想开关。但是在其关断过程中，由于半导体PN结需要进行反向充电，以便与阻断电压相平衡，二极管中的电流会反向流动，并持续一段时间后才衰减为0，这段时间称为反向恢复时间trr，如图3所示。这种现象可能导致含有电感的电路发生过电压，但在多数工频整流电路中，它对换流器的换相工作特性影响不大；因此，在二极管关断的瞬间仍然可以把它看成是理想开关。
   　　
   　　按照实际应用的要求，可选择以下不同类型的功率二极管。
   　　（1）肖特基二极管。与常用的PN结整流二极管不同，它是单极性二极管，因此不受充电过程和反向恢复时间trr（一般略为几十纳秒）的影响。从器件结构而言，在降低正向管压降和增大反向漏电流间取其折中结果，它适用于较低输出电压和要求有较低正向管压降（典型值为0.3V）的换流器电路。这种二极管的反向阻断电压水平在50~100V之间。
   　　（2）快速恢复二极管。用于与可控开关配合的高频电路中。这些电路要求很小的反向恢复时间，例如，在数百伏电压和上百安培电流条件下，其trr应小于几个微秒。
   　　（3）工频二极管。其导通态正向压降很低，但反向恢复时间较长，这在工频电路中是可以接受的，它适用于反向阻断电压数千伏和工作电流数千安的大容量换流器。从理论上讲，可通过这种二极管的串、并联满足任意电压和电流数值的要求。
   　　1、 功率二极管的基本特性
   　　图1（a）和图1（b）所示为功率二极管的电路符号和静态伏安特性。我们已经知道，当二极管处在正向电压作用下，管子两端正偏压很小（约1V左右）时便开始导通；若二极管两端加以反向电压时，在被击穿前仅有极小的可忽略不计的泄漏电流流过器件；正常工作时，加在二极管上的反向电压应小于击穿限定电压值。
   　　根据二极管在阻断状态（反向电压下）时仅有极小的漏电流和在导通状态时管压降很低的特点，比较其工作过程中的电压和电流的变化，我们可以得到它的理想伏安特性，如图1（c）所示。该理想特性可用于换流器的基本结构和工作原理分析。但是在要求有二极管精确模型的电路分析或实际换流器的设计中（例如，当估算器件的散热条件时，必须知道管子的正向压降，尽管该参数值可能很小），常用另一种理想特性表示，如图2（a）所示，对应的等效电路如图2（b）。图2（b）中E代表二极管的正向导通偏压，电阻RD表示正向导通时的等效电阻。作为基础性原理介绍，在以后的电路分析中涉及二极管时，我们均采用理想特性图1（c）进行简化替代。
   　　
   　　由于二极管的导通速度相对电力电路的暂态变化过程来说要快得多，因此可把二极管看成理想开关。但是在其关断过程中，由于半导体PN结需要进行反向充电，以便与阻断电压相平衡，二极管中的电流会反向流动，并持续一段时间后才衰减为0，这段时间称为反向恢复时间trr，如图3所示。这种现象可能导致含有电感的电路发生过电压，但在多数工频整流电路中，它对换流器的换相工作特性影响不大；因此，在二极管关断的瞬间仍然可以把它看成是理想开关。
   　　
   　　按照实际应用的要求，可选择以下不同类型的功率二极管。
   　　（1）肖特基二极管。与常用的PN结整流二极管不同，它是单极性二极管，因此不受充电过程和反向恢复时间trr（一般略为几十纳秒）的影响。从器件结构而言，在降低正向管压降和增大反向漏电流间取其折中结果，它适用于较低输出电压和要求有较低正向管压降（典型值为0.3V）的换流器电路。这种二极管的反向阻断电压水平在50~100V之间。
   　　（2）快速恢复二极管。用于与可控开关配合的高频电路中。这些电路要求很小的反向恢复时间，例如，在数百伏电压和上百安培电流条件下，其trr应小于几个微秒。
   　　（3）工频二极管。其导通态正向压降很低，但反向恢复时间较长，这在工频电路中是可以接受的，它适用于反向阻断电压数千伏和工作电流数千安的大容量换流器。从理论上讲，可通过这种二极管的串、并联满足任意电压和电流数值的要求。
   　　2、 二极管的基本应用。
   　　（1）整流 利用二极管正偏时导通、反偏时截止的不对称非线性特性（见图1b）实现整流变换，如图4（a）所示，这是二极管最基本的应用。
   　　
   　　（2）续流 用做续流二极管，如图4（b）所示。当开关S切断电感电路时，为防止电感产生很高的反电动势e=L*di/dt，而损坏设备，接入一个二极管D，使电感电流有一个继续流动的回路，使开关S在关断时其两端电压不超过电源电压Us，避免了因电感断流而在开关器件两端出现高压。
   　　（3）限幅 当输入信号电压Us变化范围很大时，为了使信号电压的幅值能够限制在某个范围之内，可采用图4（c）所示的二极管限幅电路。设二极管阈值电压为Uth，当UsUth时，二极管导通，二极管电压被限制为正向导通电压。一个硅管约为0.7V，一个锗管约为0.3V。几个二极管串联可得到不同的限幅值。
   　　（4）钳位 图4（d）中 负载电阻RL改变时，只要二极管D处于正偏导通状态；则输出端电压Uo将等于电源电压UG加二极管正向电压降UF，Uo=UG+UF，而与负载无关。即Uo被钳位到UG+UF。当然要保持二极管总是处于正偏导通状态，RL不能过小，RL太小时流过R上的电流过大、R上的电压降太大以致（E=R*I）
   　　（5）稳压 稳压管（符号为图4（e）中的DZ）也是一种半导体二极管。这种二极管的正常工作区市政反向击穿区，如图1（b）中第三象限区。二极管反向击穿后反向电流改变时，其反向端电压基本不变。因此，图4（e）中当电源电压Us改变时，通过稳压管的反向电流改变，使串联电阻R上的压降改变，而使负载电压Uo基本不变。这种简单的稳压电路应用也很广泛。