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电力二极管的工作原理

发稿时间:2021-01-03 23:49 来源:未知 【 字体:

  电力二极管(PowerDiode,PD)是指可以承受高电压、大电流,具有较大耗散功率的二极管,它与其他电力电子器件相配合,作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件,在各种变流电路中发挥着重要作用。

  电力二极管与小功率电力二极管的结构、工作原理和伏安特性相似,但它的主要参数的规定、选择原则等不尽相同,使用时应当引起注意。

  电力二极管的内部结构也是一个PN结,其面积较大,最新研制出的特殊二极管如快速恢复二极管,在制作工艺上有新的突破,使开关时间大为减少。

  电力二极管引出两个极,分别称为阳极A和阴极K,使用的符号也与中、小功率电力二极管一样,如图2.1所示。由于电力二极管的功耗较大,它的外形有螺旋式和平板式两种。螺旋式二极管的阳极紧拴在散热器上。平板式二极管又分为风冷式和水冷式,它的阳极和阴极分别由两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。

  PN结的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应,称为结电容CJ,又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比,与阻挡层厚度成反比而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作,应用时应加以注意。

  正向导通时要流过很大的电流,其电流密度较大,因而额外载流子的注入水平较高,电导调制效应不能忽略引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响承受的电流变化率di/dt较大,因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压,其掺杂浓度低也造成正向压降较大。

  当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO),正向电流才开始明显增加,处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时,只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

  动态特性--因结电容的存在,三种状态之间的转换必然有一个过渡过程,此过程中的电压-电流特性是随时间变化的。

  普通二极管按照所用的半导体材料不同,可分为锗二极管和硅二极管;按管芯结构不同,可分为图4所示的点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管;根据管子用途不同,又可分为整流二极管、检波二极管、开关二极管等。

  点接触型二极管是用一根很细的金属触丝压在光洁的半导体表面上,通以强脉冲电流,使触丝一端和半导体牢固地烧结在一起,构成PN结,如图4(a)所示。点接触型二极管因触丝与半导体接触面很小,只允许通过较小的电流(几十毫安以下),但在高频下工作性能很好,适用于收音机中对高频信号的检波和微弱交流电的整流。国产锗二极管2AP系列、2AK系列,都是点接触型的。

  面接触型二极管的PN结面积较大,并做成平面状,如图4(b)所示。它可以通过较大的电流,适用于对电网的交流电进行整流。国产大部分2CP系列和2CZ系列的二极管都是面接触型的。

  恢复过程很短特别是反向恢复过程很短(5s以下)的二极管,也简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施,结构上有的采用PN结构类型,也有的采用对此加以改进的PiN结构。

  以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管(SchottkyBarrierDiode--SBD),简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点在于:反向恢复时间很短(10~40ns),正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲;在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小,明显低于快恢复二极管。因此,其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小,效率高。肖特基二极管的弱点在于:当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求,因此多用于200V以下的低压场合;反向漏电流较大且对温度敏感,因此反向稳态损耗不能忽略,而且必须更严格地限制其工作温度。

  肖特基二极管在结构原理上与PN结二极管有很大区别,它的内部是由阳极金属(金、银、铝、钼、铂等材料制造成阻挡层)、二氧化硅消除边缘区域的电场(提高管子耐压)、N一外延层、N型硅基片、N+阴极层及阴极金属等构成。如图1和图2所示,在N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒。