功率二極管

1、第二章 功率二極管,Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，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，反向電流會突然增加——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，實際上就是由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成的。功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號如圖所示。,功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號,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， 正向管壓降很小； 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)實驗測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，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。是一個多區(qū)的半導(dǎo)體器件，只有兩個電極。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，“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，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，電子和空穴不會立刻進(jìn)行復(fù)合，會延遲一段時間，本征區(qū)會存在大量的載流子，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，我們可以用靜態(tài)特性—伏安特性來描述。但是，當(dāng)二極管的電壓、電流發(fā)生突變時，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。 二極管在動態(tài)開關(guān)的過程中會產(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、的時刻， Nˉ區(qū)域中少數(shù)載流子已經(jīng)被完全抽走，這時，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)束的時候，結(jié)電容充電到二極管反向阻斷電壓，此時，流過二極管的電流為零。,,動態(tài)特性 ——二極管的電壓-電流特性 隨時間變化的 ——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)時間：tf

10、r延遲時間：td= t1- t0電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間 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)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個固定值。正向恢復(fù)時間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)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻

12、率較高的場合時，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)正向電流時對應(yīng)的正向壓降3. 反向重復(fù)峰值電壓URRM指對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，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，應(yīng)根據(jù)不同場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)時間較長，一般在25?s左右，這在開關(guān)頻率不高時并不重要；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)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。,以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基

16、勢壘二極管（Schottky Barrier Diode——SBD），簡稱為肖特基二極管。20世紀(jì)80年代以來，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)體之間的勢壘制成的二極管特性不存在少數(shù)載流子和電荷存儲的問題低導(dǎo)通電壓，短開關(guān)時間；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)時間很短（10~40ns）；正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖；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，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、列舉一個換流器的例子并說明是如何工作的（5分） （需要說明它的工作原理）,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，若無人自薦，教師點(diǎn)名講解(拒絕講解的扣