电力二极管的工作原理、基本特性及主要参数

电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。

1工作原理

电力二极管是以半导体PN结为基础的,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。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。

电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a) 外形b) 基本结构c) 电气图形符号

二极管的基本原理——PN结的单向导电性

当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF， 这就是PN结的正向导通状态。当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。

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，这就叫反向击穿。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，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。

齐纳击穿和雪崩击穿区别在于：齐纳击穿可恢复，齐纳二极管（稳压二极管）击穿后可以自愈，是一种正常的工作状态，齐纳二极管就工作在齐纳击穿区。雪崩击穿不可恢复，是一种非正常的工作状态，一旦二极管工作在雪崩击穿区，该二极管即已损坏报废，表现为短路，失去半导体特性。当齐纳二极管的反向击穿电流超过其允许的最大击穿电流数倍时，齐纳二极管也会发生雪崩击穿，现象是二极管短路报废。

PN结的电容效应

PN结的电容称为结电容Cj，又称为微分电容。按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。

2基本特性

静态特性

主要指伏安特性，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。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。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。

伏安特性曲线

动态特性

因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，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。

由正向偏置转换为反向偏置，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。

反向恢复特性曲线

反向恢复时间：trr =ta + tb

恢复特性的软度：tb /ta ，或称恢复系数，用Sr 表示。

由零偏置转换为正向偏置，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）。

零偏置转正偏特性曲线

正向恢复时间tfr

出现电压过冲的原因: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；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越高。

3主要参数

正向平均电流IF(AV)：

指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC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。IF(AV)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，并应留有一定的裕量。

正向压降UF：

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URRM：

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。

最高工作结温TJM：

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125～175C范围之内。

反向恢复时间trr

浪涌电流IFSM：

指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

4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5us以上。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。

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5us以下）。快恢复外延二极管（Fast Recovery EpitaxialDiodes——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）。

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）

属于多子器件

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。

弱点在于：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。

当然，除了以上几种主要类型的二极管，还有很多其他类型的二极管，应用领域也很光，这里就不做过多的说明，后续慢慢地会涉及到。二极管在电力电子技术中有着很重要地作用，基本可以说是随处可见，但是针对不同地应用必须选择合适类型合理参数的二极管。

以上，便是针对二极管做了一个简单的介绍，包括了其工作原理，工作特性以及几种主要类型的二极管的介绍。后续很多地方都会有涉及，让我们慢慢地去熟悉和掌握它们。