2.2　电力二极管

电力二极管（power diode）自20世纪50年代初期就获得了应用，当时也被称为半导体整流器（semiconductor rectifier，SR），是电力电子装置中应用最多的电力电子器件之一。虽然是不可控器件，但其结构和原理简单，工作可靠，所以，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。

2.2.1　电力二极管的基本结构与工作原理

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，电力二极管的外形、结构和图形符号如图2-2所示。A和K分别代表阳极和阴极。

图2-3所示为PN结的形成，其中大圆表示不能移动的负离子，小圆表示可以运动的带正电的空穴，大圆表示不能移动的正离子，小圆表示可以自由运动的带负电的自由电子。

从图2-3中可以看出，在N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。由于N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，N区电子浓度大，P区空穴浓度大，因此造成了N区电子要向P区扩散与P区空穴复合，同时在边界N区侧留下正离子层，P区的空穴正粒子要向N区扩散与N区电子复合，同时在边界P区侧留下负离子层。随着电子、空穴的扩散，在界面两侧分别留下了带正、负电荷，但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的。此时N区侧带正电，P区侧带负电，半导体内部出现内电场，方向从N区指向P区。

内电场的出现使带正电的空穴和带负电的自由电子在内电场的作用下产生漂移运动，带负电的电子逆电场方向运动，带正电的空穴顺电场方向运动，因此内电场要迫使到达P区的电子返回N区，迫使到达N区的空穴返回P区，这就是漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又相互矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成一个稳定的由空间电荷构成的区域，称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒层。

PN结具有单向导电性。当PN结外加正向电压时，外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，原来的平衡被打破，使扩散运动加强，而漂移运动减弱。由于外加电源的作用使得扩散运动源源不断进行，从而形成正向电流，如图2-4（a）所示，此时PN结处于正向导通状态。当PN结外加反向电压时，外电场与内电场的方向一致，加强了内电场，使扩散运动减弱，而漂移运动加强，形成反向电流，如图2-4（b）所示，此时PN结处于反向截止状态。这就是PN结的单向导电性。

PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，称为反向击穿。反向击穿按照机理不同，有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施，将反向电流限制在一定范围内，则当反向电压降低后，PN结仍可恢复原来的状态；但如果反向电流未被限制住，使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN结容许的耗散功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧毁，这就是热击穿。必须尽可能避免热击穿。

2.2.2　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伏安特性，如图2-5所示。

当电力二极管承受的正向电压上升到一定值后，正向电流才开始明显增加，电力二极管处于稳定导通状态，该电压称为门槛电压UTO。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有很小的反向漏电流，电力二极管处于反向截止状态。如果增加反向电压，当增至某一临界电压值（反向击穿电压UBR）时，反向电流急剧增大，电力二极管发生击穿。

2.动态特性

由于PN结的存在，电力二极管在零电压偏置、正向偏置和反向偏置三种状态转换时，必然经历一个暂态过程用于PN结带电状态的调整，这个过程电力二极管的伏安特性随时间变化，通常称为动态特性。

1）开通过程

图2-6（a）所示为电力二极管由零电压偏置转为正向偏置导通过程中的管压降和正向电流的变化曲线。开通初期出现较高的瞬态压降，之后才达到稳定，且导通后压降很小。由图可见，在这一动态过程中，电力二极管的正向压降会先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程的时间称为正向恢复时间tfr。

2）关断过程

图2-6（b）所示为电力二极管由正向偏置转换为反向偏置的电压、电流波形。当原处于正向导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

设tF时刻外加电压突然由正向变为反向，正向电流在此反向电压作用下开始下降，下降速率由反向电压大小和电路中的电感决定，而管压降由于电导调制效应基本变化不大，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来，因而形成较大的反向电流。当空间电荷区附近储存的少子即将被抽尽时，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IRP开始下降，空间电荷区开始迅速展宽，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URP。在电流变化率接近于零的t2时刻，电力二极管两端承受的反向电压才降至外加电压的大小，电力二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。时间td=t1-t0称为延迟时间，tf=t2-t1称为电流下降时间，而时间trr=td+tf则称为电力二极管的反向恢复时间。

2.2.3　电力二极管的主要参数

1.正向平均电流IF（AV）

电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。

设流过电力二极管的正弦半波电流为Imsinωt，则额定电流（平均值）为

额定电流有效值为

因此，正向平均电流IF（AV）对应的有效值ID等于IF（AV）的倍。实际使用时，应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.5～2倍的安全裕量。

2.正向压降UF

它是在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的压降。

3.反向重复峰值电压URRM

它是指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。实际使用时，通常按照电力二极管在电路中可能承受的反向最高峰值电压的2倍来选择该参数。

4.最高工作结温TJM

它是电力二极管中的PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度，通常范围为125～175℃。

5.反向恢复时间trr

它是指电力二极管正向过零到反向电流下降到其峰值10％时的时间间隔，该值越小越好。

6.浪涌电流IFSM

它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。

2.2.4　电力二极管的主要类型

电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复功率二极管、肖特基二极管。

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（1kHz以下）的整流电路中。

2.快恢复功率二极管

快恢复功率二极管又称快速功率二极管。顾名思义，它是恢复速度很快而硬度又较低的功率二极管。

1）提高结型功率二极管开关速度的措施

（1）对少子寿命进行控制。在硅材料中掺入金或铂等杂质可有效提高少子复合率，降低少子寿命，促使存储在N区的过剩载流子数减少，缩短反向恢复时间trr。但必须指出，掺金或铂将导致正向导通压降升高，因为少子寿命缩短将同时削弱电导调制效应。

（2）采用PN-N结构。在PN结构中缩短N区厚度能改善器件开关性能，但受到耐压降低的制约，采用P和N掺杂区之间夹入一层高阻N-型材料以形成PN-N结构，在相同耐压条件下，新结构所需硅片厚度要薄得多。于是在同一少子寿命下，新结构具有更好的恢复性能和较低的正向导通压降，因而成为当今结型快恢复功率二极管普遍采用的结构。

2）扩散工艺和外延工艺

根据生成N-层工艺的不同，快恢复功率二极管可分为扩散型和外延型两类。由于扩散工艺不可能将N-层做得很薄，故正向导通压降较高，比较适合于高压大功率二极管；相反，外延工艺可在耐压许可范围内将N-层做得很薄，故正向导通压降较低。目前额定电压在0.4kV以上的器件常采用扩散工艺；低于0.4kV的则采用外延工艺。扩散型快恢复功率二极管简称FDR（fast recovery diode），外延型快恢复功率二极管简称FRED（fast recovery epitaxial diode）。

3）快速型和超快速型

由于用户对器件性能最为关注的是快速性，因此作为产品并不强调区分其工艺结构，而是根据器件的恢复快速性分为快恢复和超快恢复两类。前者简称FRED，后者简称Hiper FRED（hiper fast soft recovery epitaxial diode），FRED的trr为几十到几百纳秒，可应用于开关频率为20～50kHz的场合；Hiper FRED的trr在100ns左右，可应用于开关频率在50kHz以上的场合。

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 barrierdiode，SBD），简称肖特基二极管。肖特基二极管的优点在于：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，明显低于快恢复功率二极管。因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快恢复功率二极管还要小，效率高。肖特基二极管的弱点在于：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。