在現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域,功率二極管作為一種基礎(chǔ)且關(guān)鍵的組件,扮演著至關(guān)重要的角色。它們不僅在各種電力轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用,還在確保高效能和穩(wěn)定性能方面起著決定性的作用。
在本文中,我們將深入探討功率二極管器件及其特性(如i-v特性和關(guān)斷特性),以及它們?nèi)绾巫鳛殡娏ζ骷ぷ鳌?/strong>即在電力電子電路中,這些開關(guān)如何在飽和區(qū)域工作,并在模擬電路(如功率放大器和線性調(diào)節(jié)器)中在線性區(qū)域工作,這可以使這些開關(guān)非常高效,因?yàn)樵?a target="_blank">電源處理過程中損失較少。
功率二極管
功率二極管具有P-I-N結(jié)構(gòu),而信號(hào)二極管具有PN結(jié)。在這里,P-I-N中的“I”代表本征半導(dǎo)體層,與信號(hào)二極管相比,它能承受較高的反向電壓,如圖1所示。

然而,這種本征層的缺點(diǎn)是在正向偏置條件下會(huì)增加顯著的電阻,這意味著功率二極管可能需要適當(dāng)?shù)睦鋮s安排來處理大的功率耗散。
通常,功率二極管用于包括整流器、電壓鉗位器、電壓倍增器等多種應(yīng)用。功率二極管的符號(hào)與信號(hào)二極管相同,如圖2所示。

其他集成在功率二極管中使其能處理更高功率的特性包括:
·使用保護(hù)環(huán)
·硅氧化物層的涂層
保護(hù)環(huán)是一種p型材料,防止其耗盡層與反向偏置的p-n結(jié)的耗盡層合并。保護(hù)環(huán)防止耗盡層的曲率半徑變得太窄,這可以增加擊穿強(qiáng)度。
另一個(gè)特性是在功率二極管表面涂覆SiO2層,以幫助限制電場(chǎng)。如果輕摻雜的“I”層(n層)的厚度大于擊穿時(shí)的耗盡層寬度,這會(huì)在功率二極管中產(chǎn)生非穿透。這意味著耗盡層沒有穿透輕摻雜的n層。此外,如果“I”層的厚度小于擊穿時(shí)的耗盡層寬度,這成為功率二極管的穿透。
功率二極管的特性
功率二極管的兩種特性如圖3和圖4所示。
切入電壓是使二極管在正向?qū)J较鹿ぷ鞯淖钚‰妷篤A(陽(yáng)極電壓)的值。信號(hào)二極管的切入電壓為0.7 V,而功率二極管為1 V,使其典型的正向?qū)▔航蹈蟆?/p>圖3:功率二極管(I-V)特性
在正向偏置條件下,信號(hào)二極管電流可以指數(shù)增長(zhǎng)然后線性增長(zhǎng)。對(duì)于功率二極管,它幾乎與所施加的電壓線性增長(zhǎng),因?yàn)樗蠵-I-N層在正向偏置下都保持飽和的少數(shù)載流子。這意味著高電流值可以產(chǎn)生電壓降,掩蓋曲線的指數(shù)部分。

在反向偏置條件下,由于少數(shù)載流子,直到發(fā)生雪崩擊穿之前,會(huì)有小的漏電流流動(dòng),如圖3所示。
當(dāng)正向二極管電流達(dá)到零后,由于耗盡層和p或n層中存儲(chǔ)的電荷,二極管繼續(xù)在相反方向?qū)щ?。二極管電流流動(dòng)的反向恢復(fù)時(shí)間(Trr或trr)是從正向二極管電流變?yōu)榱愕乃查g到反向恢復(fù)電流衰減到其反向最大值的25%的瞬間的時(shí)間。
其中:
時(shí)間ta:從耗盡層移除存儲(chǔ)的電荷
時(shí)間tb:從半導(dǎo)體層移除電荷
圖4a中陰影區(qū)域代表在反向恢復(fù)時(shí)間Trr期間必須移除的存儲(chǔ)電荷QR。
至于二極管上的功率損耗=vf * if(如圖4c所示),二極管中的主要功率損耗發(fā)生在時(shí)間段tb??偟膩碚f,恢復(fù)可以是突然的或平滑的,如圖5所示。

為了定量了解,我們可以使用軟度因子(S因子)。
其中:
比率tb/ta = S因子
S因子=測(cè)量二極管恢復(fù)期間發(fā)生的電壓瞬變
S因子=1 ? 低振蕩反向恢復(fù)過程(軟恢復(fù)二極管)
S因子<1 ? 大振蕩過電壓(快速恢復(fù)二極管或快恢復(fù)二極管)
現(xiàn)在存在具有1 A至數(shù)千安培正向電流額定值和50 V至5000 V或更高反向恢復(fù)電壓額定值的功率二極管。
肖特基二極管:
關(guān)于肖特基二極管(圖6),它們通常具有鋁-硅結(jié),其中硅是n型。

由于金屬?zèng)]有空穴,因此沒有存儲(chǔ)電荷,也沒有反向恢復(fù)時(shí)間。因此,只有多數(shù)載流子(電子)的移動(dòng),避免了由復(fù)合過程引起的關(guān)斷延遲。它也可以比p-n結(jié)二極管更快地關(guān)斷。與p-n結(jié)二極管相比,它具有:
(a) 更低的切入電壓
(b) 更高的反向漏電流
(c) 更高的工作頻率
至于應(yīng)用,這些器件通常用于高頻儀器和開關(guān)電源
在高頻儀器中,功率二極管的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。它們被用于信號(hào)整流、波形整形和頻率倍增等關(guān)鍵環(huán)節(jié),確保信號(hào)處理的精確性和效率。例如,在射頻(RF)發(fā)射器中,功率二極管用于將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流,為發(fā)射器提供穩(wěn)定的電源,同時(shí)還能在接收器中用于檢測(cè)和解調(diào)信號(hào),提高系統(tǒng)的整體性能。
在開關(guān)電源(SMPS)中,功率二極管的作用同樣不可或缺。它們?cè)陔娫吹恼骱头答侂娐分邪l(fā)揮著核心作用,將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,并確保電源輸出的穩(wěn)定性和效率。特別是在高效率的開關(guān)模式電源中,功率二極管的選擇和配置直接影響到電源的整體轉(zhuǎn)換效率和熱管理。
此外,隨著技術(shù)的發(fā)展,功率二極管也在太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車充電器和各種工業(yè)電源中找到了廣泛的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域,功率二極管不僅需要處理高功率和高電壓,還必須能夠在極端條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行,這對(duì)二極管的材料和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
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