功率二極管特性及主要參數(shù)

功率二極管的基本特性：
1.靜態(tài)特性
功率二極管的靜態(tài)特性主要是指其伏安特性，功率二極管的伏安特性曲線與普通小功率二極管基本一致，如圖1所示。當(dāng)功率二極管承受的正向電壓大到一定值(門檻電壓Uth)，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流If對(duì)應(yīng)的功率二極管兩端的電壓Uf，即為其正向電壓降。當(dāng)功率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。     (1)正向特性
    當(dāng)二極管加正向電壓（P接電源的正端，N接電源的負(fù)端）時(shí)，伏安特性曲線分為正向
死區(qū)和正向?qū)�通區(qū)兩部分。
    1)正向死區(qū)：圖1所示OA段，稱為正向死區(qū)。當(dāng)加在二極管兩端正向電壓較小時(shí)，正向電流極小（幾乎為零），二極管呈現(xiàn)很大的電阻，這一部分區(qū)域稱為正向特性的死區(qū)。隨著二極管兩端電壓不斷增大，并超過(guò)某一電壓時(shí)，流過(guò)二極管的電流迅速增加，所以稱這個(gè)電壓為門坎電壓，有時(shí)也稱死區(qū)電壓。在常溫下，硅管的門坎電壓約為0.5 -0.7V．鍺管約為0 1 -0. 3V。
    2)正向?qū)�通區(qū)：圖1所示AB段為正向?qū)�通區(qū)。當(dāng)二極管正向電壓大于門坎電壓Vth時(shí)，電流隨電壓增加而迅速增大，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流與電壓的關(guān)系基本上是一條指數(shù)曲線。此時(shí)正向電流上升很快，而二極管的正向壓降變化很小，基本保持不變。
    (2)反向特性
    當(dāng)二極管兩端加反向電壓時(shí)，伏安特性曲線分為反向截止區(qū)和反向擊穿區(qū)兩部分。
    1)反向截止區(qū)：圖1中OC段為反向截止區(qū)。在反向截止區(qū)，給二極管加反向電壓時(shí)，反向電流很小，呈現(xiàn)的電阻很大，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)流過(guò)二極管的反向電流幾乎不隨反向電壓的變化而變化，該電流叫做反向飽和電流Is。在正常情況下，小功率硅管的反向漏電流很小，只有納安( nA)數(shù)量級(jí)，它的數(shù)值越小越好。反向飽和電流受溫度影響較大，溫度升高時(shí)，反向飽和電流隨之增加。
    2)反向擊穿區(qū)：當(dāng)反向電壓增加到一定大小時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿，如圖1的CD段所示，這時(shí)的反向電壓稱為二極管的反向擊穿電壓，用V_BR表示。普通二極管反向擊穿后，應(yīng)當(dāng)采取限流措旅，否則很大的反向擊穿電流會(huì)使PN結(jié)溫度迅速升高而燒壞PN結(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免二極管的反向擊穿。
2.動(dòng)態(tài)特性
因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，功率二極管在零偏置（外加電壓為零）、正向偏置和反向偏置這三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候，必然經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。在這些過(guò)渡過(guò)程中，PN結(jié)的一些區(qū)域需要一定時(shí)間來(lái)調(diào)整其帶電狀態(tài)，因而其電壓-電流特性不能用前面的伏安特性來(lái)描述，而是隨時(shí)間變化的，這就是功率二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開關(guān)特性。這個(gè)概念雖然由功率二極管引出，但可以推廣至其他各種電力電子器件。
圖2給出了功率二極管由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置時(shí)其動(dòng)態(tài)過(guò)程的波形。當(dāng)原處于正向?qū)�通狀態(tài)的功率二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，該功率二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(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(guò)沖。這是因?yàn)檎�向�(qū)�通時(shí)在PN結(jié)兩側(cè)儲(chǔ)存的大量少子需要被清除掉以達(dá)到反向偏置穩(wěn)態(tài)的緣故。 設(shè)tf時(shí)刻外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪�，正向電流在此反向電壓作用下開始下降，下降速率由反向電壓大小和電路中的電感決定，而管壓降由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)基本變化不大，直至正向電流降為零的時(shí)刻t0。此時(shí)功率二極管由于在PN結(jié)兩側(cè)（特別是多摻雜N區(qū)）儲(chǔ)存有大量少子而并沒(méi)有恢復(fù)反向阻斷能力，這些少子在外加反向電壓的作用下被抽取出功率二極管，因而形成較大的反向電流。當(dāng)空間電荷區(qū)附近的儲(chǔ)存少子即將被抽盡時(shí)，管壓降變?yōu)樨?fù)極性，于是開始抽取離空間電荷區(qū)較遠(yuǎn)的濃度較低的少子。因而在管壓降極性改變后不久的t1時(shí)刻反向電流從其最大值I_RP開始下降，空間電荷區(qū)開始迅速展寬，功率二極管開始重新恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。在t1時(shí)刻以后，由于反向電流迅速下降，在外電路電感的作用下會(huì)在功率二極管兩端產(chǎn)生比外加反向電壓大得多的反向電壓過(guò)沖U_RP。在電流變化率接近于零的t2時(shí)刻（有的標(biāo)準(zhǔn)定為電流降至25%I_RP的時(shí)刻），功率二極管兩端承受的反向電壓才降至外加電壓的大小，功率二極管完全恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。時(shí)間td=t1-t0被稱為延遲時(shí)間，tf=t2-t1被稱為電流下降時(shí)間，而時(shí)間trr=td+tf則被稱為功率二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。其下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf／td被稱為恢復(fù)特性的軟度，或者恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。Sr越大則稱恢復(fù)特性越軟，實(shí)際上就是反向電流下降時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因而在同樣的外電路條件下造成的反向電壓過(guò)沖U_RP較小。
圖2b給出了功率二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置時(shí)其動(dòng)態(tài)過(guò)程的波形�？梢钥闯�，在這一動(dòng)態(tài)過(guò)程中，功率二極管的正向壓降也會(huì)先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖U_F，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因是：
1)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大。
2)正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，U_FP越高。當(dāng)功率二極管由反向偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置時(shí)，除上述時(shí)間外，勢(shì)壘電容電荷的調(diào)整也需要較多時(shí)間來(lái)完成。
功率二極管的主要參數(shù)：
1．正向平均電流IF(AV)
指功率二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，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(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。在此電流下，因管子的正向壓降引起的損耗造成的結(jié)溫升高不會(huì)超過(guò)所允許的最高工作結(jié)溫（見(jiàn)主要參數(shù)4）。這也是標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)�？梢钥闯�，正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此在使用時(shí)應(yīng)按照工作中實(shí)際波形的電流與正向平均電流所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來(lái)選取功率二極管的電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。通過(guò)對(duì)正弦半波電流的換算可知，正向平均電流I_F(AV)對(duì)應(yīng)的有效值為1.57I_F(AV)。不過(guò)，應(yīng)該注意的是，當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，功率二極管的發(fā)熱原因除了正向電流造成的通態(tài)損耗外，其開關(guān)損耗也往往不能忽略。當(dāng)采用反向漏電流較大的功率二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。在選擇功率二極管正向電流定額時(shí)，這些都應(yīng)加以考慮。
2．正向壓降U_F
指功率二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。有時(shí)候，其參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)功率二極管的最大瞬時(shí)正向壓降。
3反向重復(fù)峰值電壓U_RRM
指對(duì)功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓U_B的2/3。使用時(shí)，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定此項(xiàng)參數(shù)。
4最高工作結(jié)溫T_JM
結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度，用T_JM表示。T_JM通常在125 - 175℃范圍之內(nèi)。
5．反向恢復(fù)時(shí)間trr。見(jiàn)上述描述。
6．浪涌電流I_FSM
指功率二極管所能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。