一文解读二极管串联均压问题的误区

　　一、二极管原理

　　二极管，（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。

　　晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的pn结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于pn结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，pn结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。pn结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。

　　二、二极管的构造分类

　　半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。与PN结不可分割的点接触型和肖特基型，也被列入一般的二极管的范围内。包括这两种型号在内，根据PN结构造面的特点，把晶体二极管分类如下：

　　点接触型

　　点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后，再通过电流法而形成的。因此，其PN结的静电容量小，适用于高频电路。但是，与面结型相比较，点接触型二极管正向特性和反向特性都差，因此，不能使用于大电流和整流。因为构造简单，所以价格便宜。

　　面接触型

　　面接触型或称面积型二极管的PN结是用合金法或扩散法做成的，由于这种二极管的PN结面积大，可承受较大电流，但极间电容也大。这类器件适用于整流，而不宜用于高频率电路中。

　　键型

　　键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔金或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较，虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加，但正向特性特别优良。多作开关用，有时也被应用于检波和电源整流（不大于50mA）。在键型二极管中，熔接金丝的二极管有时被称金键型，熔接银丝的二极管有时被称为银键型。

　　合金型

　　在N型锗或硅的单晶片上，通过加入合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。正向电压降小，适于大电流整流。因其PN结反向时静电容量大，所以不适于高频检波和高频整流。

　　扩散型

　　在高温的P型杂质气体中，加热N型锗或硅的单晶片，使单晶片表面的一部变成P型，以此法PN结。因PN结正向电压降小，适用于大电流整流。最 近，使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。

　　台面型

　　PN结的制作方法虽然与扩散型相同，但是，只保留PN结及其必要的部分，把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形，因而得名。初期生产的台面型，是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此，又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说，似乎大电流整流用的产品型号很少，而小电流开关用的产品型号却很多。

　　平面型

　　在半导体单晶片（主要地是N型硅单晶片）上，扩散P型杂质，利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用，在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因此，不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整，故而得名。并且，PN结合的表面，因被氧化膜覆盖，所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初，对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的，故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言，似乎使用于大电流整流用的型号很少，而作小电流开关用的型号则很多。

　　合金扩散型

　　它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质，就能与合金一起过扩散，以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。

　　外延型

　　用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布，故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。

　　肖特基

　　基本原理是：在金属（例如铅）和半导体（N型硅片）的接触面上，用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是：开关速度非常快：反向恢复时间trr特别地短。因此，能制作开关二极管和低压大电流整流二极管。

　　三、五款常用的二极管应用电路

　　1.电源火线指示灯

　　在使用各类家用电器时，一般要求电器或照明灯的开关应安装在电源火线上，以确保安全。由于现在大部分住宅都没有相应的电源接地线，因此安装电源插头插入插座的随意性，无法保证电器开关正好连接在火线上。若因电器漏电，则会发生安全事故。而利用一支二极管和氖泡串接在电器插头电路中，当插入插座后，若氖泡灯被点亮，说明电源开关接在了电源火线上。

　　如插入后氖泡灯不亮，则将插头拔下换向后，再插入插座内即可点亮氖泡灯。电路元件接线见图1所示。

　　2.交流电子门铃

　　目前大部分家庭住宅都安装有电子门铃，而门铃均采用干电池供电，其唯一的缺点是需经常换用电池。不仅麻烦而且电池易腐烂。日久会造成对电子元件的损坏。如果利用二极管和一些电阻电容，及一片低电压的陶瓷片代替发音喇叭，即能构成一个直接使用220V交流电的电子门铃。这种采用交流电制作的电子门铃，成本相当低，效果又好（门铃按钮开关必须采用220V电器按钮开关）。电路元件接线见图2所示。

　　3.日光灯低压低温启动

　　日光灯照明是很普及的灯具，但在实际使用过程中，日光灯对电源电压和气候环境温度的影响特别大，尤其在气温低、电源电压又过低时，流过日光灯管的电流大幅度下降，从而使灯管的灯丝因达不到足够的预热温度值，不但造成点燃启动困难，灯管也会因长时间闪烁，缩短使用寿命。

　　如果在灯管电器中串加入二极管，那么当冬季气温环境在零摄氏度以下，电源电压低至180V时，目光灯管也能在几秒钟内迅速起跳点亮。电路元件接线如图3所示。

　　4.延长白炽灯寿命

　　众多的高层住宅楼道的照明。一般均采用白炽灯照明。由于白炽灯长时间点燃，以及在电源电压不稳定的状态下，很容易造成灯泡损坏。如果在楼道灯泡回路中串接入整流二极管，不仅能将灯泡的实际使用寿命延长十几倍，保证正常楼道照明，还可减少经常更换灯泡的麻烦和维修。电路元件接线如图4所示。

　　5.电热电器限流恒温

　　日常使用的电烙铁、电熨斗等一些电热电器，由于使用时长时间通电工作，不仅大量白白消耗电能，而且经常发生烧坏电热芯问题。如果在电器电路中串接人二极管，这样当电器间歇停止工作时，供电电源即由二极管半波整流供电而限制了电流，使加在电器上的电压下降至50％L三上下，电器处于预热状态，一旦使用时图5中的S闭合，电器转人满负荷芷常供电工作。电路元件接线如图5所示（该电路仅能用于纯电阻负载）。

　　四、二极管串联不均压因素分析

　　二极管串联不均压主要原因来自自身和外部两类。自身原因主要由加工工艺造成的，外因主要是由外部电路造成的。同一批次生产出来二极管的伏安特性不一致，造成二极管的静态不均压;反向恢复时间及开通状态的不一致造成二极管的动态不均压目。外部电路设计会造成杂散电感和电容，在高压高频环境中会造成不均压问题。

　　五、二极管串联不均压误区分析

　　1、宏观下二极管串联不均压分析

　　《二极管串联不需要均压电阻》一文给出二极管串联不需均压，这是从宏观上分析得出的，主要考虑的是二极管自身因素的影响。如图1所示，二个二极管串联，外接反向直流电压。反向饱和电流较小的二极管承受电压较大，因为两个二极管串联，在外部施加电压额定的J隋况下，反向饱和电流是不变的。如图2所示，假设两个二极管仅反向饱和电流存在差异，D2的反向饱和电流较小。可以明显得出上述结论。

　　在实际运行中，宏观上二极管由于自身差异导致压降不同如图2所示。当外界电压U加大到D2上的压降到达临界点时，由于D1反向饱和电流大导致其压降相对较小，当D2达到临界压降时，D1仍然处于安全稳定区域。U再次加大，按照上述分析，D2上压降将突破临界转折电压，二极管击穿造成电流急剧增加，但是D1和D2是串联于主电路中，D1电流必然随着D2增加，但是从Dl的伏安曲线得知，D1通过大电流时其反向压降应该达到转折电压，故u1和u2之和大于U，推测不成立。因此，U加大时，D2的电压不会继续增加，而D1的电压会继续增加，直至u增加到超过二个管子的反向耐压之和，此时会出现二极管击穿。多个管子的分析也是如此，可参照《二极管串联不需要均压电阻》

　　2、微观下二极管串联不均压分析

　　二极管的引脚、二极管在电路板上的布局等等在高压高频环境下自然而然演变成杂散电容和电感。杂散电容和电感的引入直接影响二极管的开通和关断波形。电容的引入阻止电压的突变而电感的引入则阻止电流的突变。《用于高压高频整流的二极管串联均压问题》给出了在高频下二极管串联等效电路图，如图3所示C1为二极管结电容，R为二极管反向电阻，C2为二极管对高压形成的杂散电容，C3为二极管对地形成的杂散电容，同时从微观角度分析了二极管串联不均压的原因及后果。在文献目中提出二极管自身因素可以通过选用同—批次生产的二极管来近似解决，重点考虑外部因素。

　　六、二极管串联的应用

　　电除尘器高频电源输出高频PWM波经升压变压器再经过整流模块最终输出近似直线的电压波形。整流模块集成在升压变压器中，采用的是二极管串联模式，因为电压等级比较高，一般考虑达到10KV以上。由于输出电压波形精度要求不高，故采用二极管直接串联方式即可，选用高频整流二极管，整流输出仿真波形如图4所示，实测波形如图5所示。

　　如图所示，整流输出电压出现高低波峰，这是由于杂散参数即外部因素的影响，随着科学技术的不断发展，二极管的制作工艺在不断提高，其自身因素的影响已经微乎其微。