功率二極管主要類型及使用要點

  根據(jù)功率二極管的開關(guān)速度可分為普通整流二極管、快恢復二極管、超快恢復二極管和肖特基二極管。下面分別闡述各自特點和應用場合，并導論與IGBT及其他晶體管之間的配合使用問題。關(guān)于功率二極管的結(jié)構(gòu)特性及工作原理可參考相關(guān)文章功率二極管結(jié)構(gòu)與原理與功率二極管特性及參數(shù)。
1普通二極管
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。其反向恢復時間較長，一般在5uS以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要，在參數(shù)表中甚至不列出這一參數(shù)。但其正向電流定額和反向電壓定額卻可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。
2快恢復二極管
二極管由反向阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)檎�向�(qū)�通的過程稱之為正向恢復，由正向?qū)�通轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蜃钄嗟倪^程稱之為反向恢復。由于恢復時間特別是反向恢復時間的存在，限制了二極管的工作頻率，也增加了二極管的動態(tài)損耗，在一些應用電路中，還造成電力電于開關(guān)器件承受極大的浪涌電流和浪涌電壓。因此，快速恢復二極管成為實現(xiàn)電力電子裝置高頻化的一個重要器件。
恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5uS以下）的二極管被稱為快恢復二極管（Fast Recovery Diode-FRD），簡稱快速二極管。工藝上多采用了摻金措施，結(jié)構(gòu)上有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，也有的采用對此加以改進的PiN結(jié)構(gòu)。特別是采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的所謂的快恢復外延二極管(Fast Recovery Epitaxial Diodes-FRED)，其反向恢復時間更短(可低于50ns)，正向壓降也很低(0.9V左右)，但其反向耐壓多在1200V以下。不管是什么結(jié)構(gòu)，快恢復二極管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20-30ns。
通常把trr較短的恢復過程稱為硬恢復，把較長的恢復過程稱為軟恢復，并定義反向恢復特性的軟度(Softness)或快捷度(Snappiness)。
一般二極管trr=2~10uS可用于高頻整流，小于1uS可適配雙極型器件或IGBT應用于逆變電路。用外延法制造的二極管trr可小于50ns，被稱為超快恢復二極管。
3肖特基二極管
以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管(Schottky Barrier Diode-SBD)，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管在信息電子電路中早就得到了應用，但直到20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展才得以在電力電子電路中廣泛應用。與以PN結(jié)為基礎的電力二投管相比，肖特基二極管的優(yōu)點在于：反向恢復時問很短(10-40ns)，正向恢復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，明顯低于快恢復二極管。因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)�通損耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。
功率二極管使用要點：
1.正向恢復過程的影響
         1）二極管的正向恢復過程常常被忽視，在下圖中作為緩沖二極管使用時，若U_FP過大使VD5不能迅速導通，則緩沖電路失去了作用。 2)由于耐壓較高的二極管比耐壓較低的二極管正向UFP高、TFE也長，因此在低壓高頻整流電路中，盡可能使用低耐壓的二極管，以避免過長正向恢復過程限制了電路的輸出。
2反向恢復過程的影響
1)高頻整流電路中，在反向恢復時間內(nèi)二極管反向?qū)�通會造成有負電壓波形輸出，這使整流輸出電壓平均值下降。例如在工作頻率為20kHz的整流電路中，使用trr為5uS的二極管，則會使輸出電壓平均值下降約10%。
2)在帶感性負載的半橋電路中（見下圖），續(xù)流二極管的壓向恢復電流會流過剛開通的開關(guān)器件（如IGBT），造成大的反向恢復浪桶電流。續(xù)流二極管的硬恢復又會使與之并聯(lián)的開關(guān)器件承受大的關(guān)斷浪涌電壓。因此應選用trr小，又有一定軟度的所謂較快恢復二極管作高頻開關(guān)的續(xù)流二極管。 3)二極管串聯(lián)使用時，其反向阻斷時的動態(tài)均壓基本上取決于反向恢復特性(Irr、Qrr和trr)的一致性。必須采用各個二極管并聯(lián)電容器等動態(tài)均壓措施，否則因trr小而先恢復的二管瞬間將承受串聯(lián)總電壓。
4)即使是快恢復二極管，其恢復期間造成的功率損耗也不應被忽略，在不同電路中損耗大小不同，但計算二極管總損耗時都應予以考慮。