电力电子技术笔记（2）—

2.2 不可控器件——电力二极管

2.2.1 电力二极管的工作原理

2.2.2 电力二极管的基本特性

2.2.3 电力二极管的主要参数

2.2.4 电力二极管的主要类型

2.2.5 小结

2.2.1 电力二极管的工作原理

电力二极管（Power Diode）也称为功率二极管或半导体整流器（Semiconductor Rectifier，简称SR），属于不可控电力电子器件。

应用范围：不可控整流、电感性负载回路、电压源型逆变电路无功回路、电流源型逆变电路中的换流隔断等场合。

基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。

由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

PN结的几个概念：在P和N区交界面附近，形成一个空间电荷区（耗尽层，无多数载流子）；正负电荷相互作用，形成内电场；薄层形成的空间电荷区称为PN结；电位差对载流子而言是一种势垒。

从外形上看，有螺栓型、平板型，还有模块等封装。

电力二极管其结构和原理简单，工作可靠，大量应用于许多电气设备中。

快恢复二极管和肖特基二极管：开通和关断速度很快，应用在中、高频整流和逆变场合。

PN结的状态：

二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性。

PN结的反向击穿（两种形式（可逆），均可能导致热击穿（不可逆））：

雪崩击穿：碰撞电离，倍增效应；

齐纳击穿：稳压二极管。

PN结的电容效应——PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容 $C_{J}$ ，又称为微分电容；结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容 $C_{B}$ （在外加电压变化时起作用）和扩散电容 $C_{D}$ （在正向偏置时起作用）；结电容影响PN结的工作频率，特别是高速的开关状态。

2.2.2 电力二极管的基本特性

静态特性：

主要指伏安特性。

门槛电压 $U_{TO}$ ，指正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。

与 $I_{F}$ 对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降 $U_{F}$ 。

电导调制效应：随着电流增大，伏安特性曲线的斜率增大，等效电阻变小；存在于两种载流子都参与工作的情况。

承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值稳定的反向漏电流。

动态特性：

电压—电流特性是随时间变化的，因为存在结电容和线路电感。

关断过程：

结电容：有反向电流，开始阶段电压极性未改变，图中1。

电感：反向电流突降，图中2，明显的反向电压过冲，图中3。

延迟时间： $t_{d} =$ $t_{1}$ （最大反向电流） $- t_{0}$ （正向电流为0），

电流下降时间： $t_{f}$ $= t_{2}$ （di/dt趋近0，稳定反向电流） $- t_{1}$ ，

反向恢复时间： $t_{rr} = t_{d}+ t_{f}$

恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值 $t_{f}/t_{d}$ ，或称恢复系数，用 $S_{r}$ 表示，值越大，恢复特性越软。

开通过程：

正向压降出现一个过冲 $U_{FP}$ ,经过一段时间才接近稳态压降的某个值（如2V）。

过冲的原因：1）少子储存时间，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（u = di/dt）。电流上升率越大， $U_{FP}$ 越高。

正向恢复时间 $t_{fr}$ 。

2.2.3 电力二极管的主要参数

正向平均电流 $I_{F(AV)}$ ：

额定电流：指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用 $T_{C}$ 表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 $I_{T(AV)}$ 。

$I_{T(AV)} = I_{m}/\pi$ , 有效值 $I = I_{m}/2$ ，两者之间的关系 $I_{T(AV)} = 1/1.57I$

$I_{AV} = \frac{1}{2\pi }\int_{0}^{\pi }i(wt)dwt$ , $I = \sqrt{\frac{1}{2\pi }\int_{0}^{2\pi}i^{2}(wt)dwt}$

对于工频正弦半波电流波形来说，波形系数： $K_{f} = I/I_{T(AV)}$ 。波形不同比值不同。

$I_{F(AV)}$ （平均值）是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，额定100A的二极管可以通过157A的电流有效值，并应留1.5—2倍的裕量。

正向压降 $U_{F}$ ：指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

反向重复峰值电压 $U_{RRM}$ ：能重复施加的反向最高峰值电压。留有2—3倍的裕量。

反向漏电流 $I_{RRM}$ ：当器件承受 $U_{RRM}$ 时的反向电流。

最高工作结温 $T_{JM}$ ：PN结所能承受的最高平均温度。通常125~175℃。

反向恢复时间 $t_{rr}$ ： $t_{rr} = t_{d} + t_{f}$

浪涌电流 $I_{FSM}$ ：所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。最大允许非重复浪涌电流，体现了二极管抗短路冲击电流的能力。

2.2.4 电力二极管的主要类型

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不同，介绍几种常用的电力二极管。

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（1kHz以下）的整流电路中；其反向恢复时间较长，一般在5 $\mu s$ 以上；其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。等级齐全，有等级很高的品种。

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 $\mu s$ 以下；快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），其反向耐压多在1200V以下；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100ns以下，甚至达到20~30ns。

肖特基二极管（Schottky Barrier Diode——SBD）：

以金属和半导体接触形成的势垒为基础（以贵金属金、银等为正极，以N型半导体为负极）的二极管称为肖特基势垒二极管，属于多子器件。

优点：反向恢复时间很短（10~40ns），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，0.3V左右，明显低于快恢复二极管；因此，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。

弱点：当所能承受的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200V以下的低压场合；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。