功率二極管

1、第二章 功率二極管,Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。,AC/DC——整流DC/AC——逆變,第二章 功率二極管,2.1 PN結(jié)2.2 功率二極管的工作原理 2.3 功率二極管的基本特性 2.4 功率二極管的主要參數(shù) 2.5 功率二極管的主要類型,電子為多數(shù)載流子,空穴為少數(shù)

2、載流子,載流子數(shù) ? 電子數(shù),一、N 型半導(dǎo)體,,正離子,磷原子,自由電子,多數(shù)載流子,少數(shù)載流子,2.1 PN結(jié),,電子 — 少子,載流子數(shù) ? 空穴數(shù),二、P 型半導(dǎo)體,空穴 — 多子,硼原子,空穴,負(fù)離子,多數(shù)載流子,少數(shù)載流子,N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。,PN結(jié)的形成,,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?（1）PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 外加正向電壓，空間電荷區(qū)變窄，PN結(jié)導(dǎo)通。,（2）PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) 外加反

3、向電壓，空間電荷區(qū)變寬，PN結(jié)截止。（3）PN結(jié)的反向擊穿 當(dāng)反壓大到一定程度時(shí)，反向電流會(huì)突然增加——反向擊穿。有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。,造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)

4、也會(huì)有較大影響。為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。,,功率二極管是以PN結(jié)為基礎(chǔ)的，實(shí)際上就是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成的。功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖所示。,功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào),2.2 功率二極管的工作原理,功率二極管主要有螺栓型和平板型兩種外形， 如圖所示。,螺栓型； (b) 平板型 功率二極管的外形,功率二極管和電子電路中的二極管工作原理一樣，即若二極管處于正向電壓作用下，則PN結(jié)

5、導(dǎo)通， 正向管壓降很??； 反之， 若二極管處于反向電壓作用下，則PN結(jié)截止， 僅有極小的可忽略的漏電流流過二極管。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量可得功率二極管的伏安特性曲線，如下圖所示。,2.3 功率二極管的基本特性,靜態(tài)特性--主要指其伏安特性,功率二極管的伏安特性,當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流IRR。,正向?qū)?反向

6、擊穿,反向截止?fàn)顟B(tài),PIN功率二極管的基本特性,PIN二極管，P區(qū)和N區(qū)之間夾一層本征半導(dǎo)體或摻雜低濃度雜質(zhì)的半導(dǎo)體。是一個(gè)多區(qū)的半導(dǎo)體器件，只有兩個(gè)電極。其中本征區(qū)并非是純凈的半導(dǎo)體材料，而是由輕度摻雜的N型半導(dǎo)體組成的。由于它的載流子濃度很低不能提供電流，因此被統(tǒng)稱為本征區(qū)。,PIN功率二極管的基本特性,反向偏置時(shí)，“本征”區(qū)的阻值很高，空間電荷區(qū)可僅限于Nˉ區(qū)域 ； 正向偏置時(shí)，空間電荷區(qū)主要是P-Nˉ結(jié) ，P區(qū)和N區(qū)的載

7、流子同時(shí)注入到本征區(qū)，但本征區(qū)的摻雜濃度比較低，電子和空穴不會(huì)立刻進(jìn)行復(fù)合，會(huì)延遲一段時(shí)間，本征區(qū)會(huì)存在大量的載流子，故本征區(qū)的電阻很低。,PIN功率二極管的開關(guān)特性,當(dāng)二極管中的電壓、電流緩變時(shí)，我們可以用靜態(tài)特性—伏安特性來(lái)描述。但是，當(dāng)二極管的電壓、電流發(fā)生突變時(shí)，器件中的載流子分布與靜態(tài)條件下的情況有著顯著的差異。 二極管在動(dòng)態(tài)開關(guān)的過程中會(huì)產(chǎn)生顯著的損耗，特別是工作在高頻狀態(tài)下。,PIN功率二極管的開關(guān)特性,,,區(qū)

8、間①中，穩(wěn)定截止。,區(qū)間②中，流過正向電流，先給反偏置的結(jié)電容充電，導(dǎo)通之初，正向電壓過沖，隨后產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)， 本征區(qū)電阻下降，壓降減小，最終平衡，壓降值穩(wěn)定，電流值穩(wěn)定。,區(qū)間③中，穩(wěn)定導(dǎo)通，通態(tài)電壓很低。,PIN功率二極管的開關(guān)特性,區(qū)間④中，二極管開始關(guān)斷，外加反向電壓，Nˉ區(qū)域中還存在大量少數(shù)載流子空穴，內(nèi)建電場(chǎng)還是正向，只有少數(shù)的載流子復(fù)合消失或者擴(kuò)散出去后，P Nˉ結(jié)才可以建立。因此，二極管還處于正向偏置狀態(tài)。在④結(jié)束

9、的時(shí)刻， Nˉ區(qū)域中少數(shù)載流子已經(jīng)被完全抽走，這時(shí)，P Nˉ結(jié)開始反向偏置，承受反向電壓。,,PIN功率二極管的開關(guān)特性,區(qū)間⑥中，二極管處于反向關(guān)斷狀態(tài)，承受反向電壓。,區(qū)間⑤中，反向電流給二極管的結(jié)電容充電，在⑤結(jié)束的時(shí)候，結(jié)電容充電到二極管反向阻斷電壓，此時(shí)，流過二極管的電流為零。,,動(dòng)態(tài)特性 ——二極管的電壓-電流特性 隨時(shí)間變化的 ——結(jié)電容的存在,b) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置,正向恢復(fù)時(shí)間：tf

10、r延遲時(shí)間：td= t1- t0電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。,快速恢復(fù)二極管開關(guān)特性,a) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,,正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)固定值。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。,開通過程：,關(guān)斷過程（加反向電壓UR）須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才

11、能重新 獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。,b) 關(guān)斷過程,a) 開通過程,,快速恢復(fù)二極管開關(guān)特性,2.4 功率二極管的主要參數(shù),1. 正向平均電流IF 在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻

12、率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略。,2. 正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降3. 反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定,2.4 功率二極管的主要參數(shù),4. 最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p

13、壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175?C范圍之內(nèi)。5. 反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間。,2.4 功率二極管的主要參數(shù),2.5 功率二極管的主要類型,按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的分為幾類。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。,功率

14、二極管的主要類型,1. 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）；多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中，工作頻率較低；其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在25?s左右，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要；正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。,2. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode——FRD）,功率二極管的主要類型,恢復(fù)過

15、程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5?s以下）的二極管，簡(jiǎn)稱快速二極管；工藝上多采用了摻金措施，但正態(tài)導(dǎo)通壓降有所升高；快恢復(fù)二極管常用于高頻電路的整流，應(yīng)該根據(jù)電路的特點(diǎn)和工作頻率來(lái)選擇和使用快恢復(fù)類的功率二極管。,2. 快恢復(fù)二極管,功率二極管的主要類型,從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。,以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基

16、勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode——SBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管。20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。它適用于較低輸出電壓和要求較低正向管壓降的換流器電路中。,3. 肖特基二極管（SBD）,肖特基功率二極管結(jié)構(gòu)利用金屬與半導(dǎo)體之間的勢(shì)壘制成的二極管特性不存在少數(shù)載流子和電荷存儲(chǔ)的問題低導(dǎo)通電壓，短開關(guān)時(shí)間；反向漏電流大，阻斷電壓低。應(yīng)用適合于高頻低壓應(yīng)用,3. 肖特基

17、二極管（SBD）,肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向勢(shì)壘比較薄，極易發(fā)生反向擊穿，故反向電壓比較低，因此多用于200V以下；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感具有負(fù)溫度系數(shù)，不適于直接并聯(lián)使用，容易燒壞。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）；正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管開關(guān)損耗、通態(tài)損耗都比快速二極管小，效率高 。,3. 肖特基二極管（SBD）,砷化鎵功

18、率二極管 第二代的化合物半導(dǎo)體。與第一代硅半導(dǎo)體相比，有利于在較高溫度下工作；有利于器件小型化。但是，工作電壓低于600V。碳化硅功率二極管 第三代的寬禁帶半導(dǎo)體。熱傳導(dǎo)率約是硅的3倍，更適合于高溫應(yīng)用；碳化硅臨界電場(chǎng)強(qiáng)度是硅材料的10倍，更適合于高壓應(yīng)用。碳化硅肖特基功率二極管結(jié)電容很小，基本沒有反向恢復(fù)電流，開關(guān)損耗很低。,4. 功率砷化鎵和碳化硅二極管,電子鎮(zhèn)流器,節(jié)能燈,任務(wù)2 (15分),1、兩圖中任選一

19、個(gè)，講解電子鎮(zhèn)流器/節(jié)能燈的工作原理(5分),3、什么是換流器(2分),4、列舉一個(gè)換流器的例子并說(shuō)明是如何工作的（5分） （需要說(shuō)明它的工作原理）,備注：1》以課件的形式完成本次任務(wù)（不以課件完成扣10分） 2》課件的講解時(shí)間至少15分鐘(低于10分鐘扣5分，10～15分鐘扣3分) 3》講解人員采取自薦方式，若無(wú)人自薦，教師點(diǎn)名講解(拒絕講解的扣