功率二极管(Diodes)器件基础：结构、符号与应用

在现代电力电子领域，功率二极管作为一种基础且关键的组件，扮演着至关重要的角色。它们不仅在各种电力转换和控制系统中发挥作用，还在确保高效能和稳定性能方面起着决定性的作用。

 

在本文中，我们将深入探讨功率二极管器件及其特性(如i-v特性和关断特性)，以及它们如何作为电力器件工作。即在电力电子电路中，这些开关如何在饱和区域工作，并在模拟电路(如功率放大器和线性调节器)中在线性区域工作，这可以使这些开关非常高效，因为在电源处理过程中损失较少。

 

功率二极管

 

功率二极管具有P-I-N结构，而信号二极管具有PN结。在这里，P-I-N中的“I”代表本征半导体层，与信号二极管相比，它能承受较高的反向电压，如图1所示。

图1：功率二极管的结构

 

然而，这种本征层的缺点是在正向偏置条件下会增加显著的电阻，这意味着功率二极管可能需要适当的冷却安排来处理大的功率耗散。

通常，功率二极管用于包括整流器、电压钳位器、电压倍增器等多种应用。功率二极管的符号与信号二极管相同，如图2所示。

图2：功率二极管的符号

 

其他集成在功率二极管中使其能处理更高功率的特性包括：

 

·使用保护环

·硅氧化物层的涂层

 

保护环是一种p型材料，防止其耗尽层与反向偏置的p-n结的耗尽层合并。保护环防止耗尽层的曲率半径变得太窄，这可以增加击穿强度。

 

另一个特性是在功率二极管表面涂覆SiO2层，以帮助限制电场。如果轻掺杂的“I”层(n层)的厚度大于击穿时的耗尽层宽度，这会在功率二极管中产生非穿透。这意味着耗尽层没有穿透轻掺杂的n层。此外，如果“I”层的厚度小于击穿时的耗尽层宽度，这成为功率二极管的穿透。

 

功率二极管的特性

 

功率二极管的两种特性如图3和图4所示。

 

切入电压是使二极管在正向导通模式下工作的最小电压VA(阳极电压)的值。信号二极管的切入电压为0.7 V，而功率二极管为1 V，使其典型的正向导通压降更大。

图3：功率二极管(I-V)特性

 

在正向偏置条件下，信号二极管电流可以指数增长然后线性增长。对于功率二极管，它几乎与所施加的电压线性增长，因为所有P-I-N层在正向偏置下都保持饱和的少数载流子。这意味着高电流值可以产生电压降，掩盖曲线的指数部分。

图4：功率二极管的关闭特性:(a)正电流的变化 f ,(b)正电压降V的变化 f ,(c)电力损失的变更

 

在反向偏置条件下，由于少数载流子，直到发生雪崩击穿之前，会有小的漏电流流动，如图3所示。

 

当正向二极管电流达到零后，由于耗尽层和p或n层中存储的电荷，二极管继续在相反方向导电。二极管电流流动的反向恢复时间(Trr或trr)是从正向二极管电流变为零的瞬间到反向恢复电流衰减到其反向最大值的25%的瞬间的时间。

 

其中：

时间ta：从耗尽层移除存储的电荷

时间tb：从半导体层移除电荷

 

图4a中阴影区域代表在反向恢复时间Trr期间必须移除的存储电荷QR。

 

至于二极管上的功率损耗=vf * if(如图4c所示)，二极管中的主要功率损耗发生在时间段tb。总的来说，恢复可以是突然的或平滑的，如图5所示。

图5：功率二极管的反向恢复特性

 

为了定量了解，我们可以使用软度因子(S因子)。

 

其中：

 

比率tb/ta = S因子

S因子=测量二极管恢复期间发生的电压瞬变

S因子=1 ⇒ 低振荡反向恢复过程(软恢复二极管)

S因子<1 ⇒ 大振荡过电压(快速恢复二极管或快恢复二极管)

 

现在存在具有1 A至数千安培正向电流额定值和50 V至5000 V或更高反向恢复电压额定值的功率二极管。

 

肖特基二极管：

 

关于肖特基二极管(图6)，它们通常具有铝-硅结，其中硅是n型。

图6：肖特基二极管符号和电流电压特性曲线

 

由于金属没有空穴，因此没有存储电荷，也没有反向恢复时间。因此，只有多数载流子(电子)的移动，避免了由复合过程引起的关断延迟。它也可以比p-n结二极管更快地关断。与p-n结二极管相比，它具有：

 

(a) 更低的切入电压

(b) 更高的反向漏电流

(c) 更高的工作频率

至于应用，这些器件通常用于高频仪器和开关电源

 

在高频仪器中，功率二极管的应用尤为关键。它们被用于信号整流、波形整形和频率倍增等关键环节，确保信号处理的精确性和效率。例如，在射频(RF)发射器中，功率二极管用于将交流信号转换为直流，为发射器提供稳定的电源，同时还能在接收器中用于检测和解调信号，提高系统的整体性能。

 

在开关电源(SMPS)中，功率二极管的作用同样不可或缺。它们在电源的整流和反馈电路中发挥着核心作用，将交流电转换为直流电，并确保电源输出的稳定性和效率。特别是在高效率的开关模式电源中，功率二极管的选择和配置直接影响到电源的整体转换效率和热管理。

 

此外，随着技术的发展，功率二极管也在太阳能逆变器、电动汽车充电器和各种工业电源中找到了广泛的应用。在这些领域，功率二极管不仅需要处理高功率和高电压，还必须能够在极端条件下保持稳定运行，这对二极管的材料和设计提出了更高的要求。