功率二极管特性及主要参数

功率二极管的基本特性：
1.静态特性
功率二极管的静态特性主要是指其伏安特性，功率二极管的伏安特性曲线与普通小功率二极管基本一致，如图1所示。当功率二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压Uth)，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对应的功率二极管两端的电压Uf，即为其正向电压降。当功率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。     (1)正向特性
    当二极管加正向电压（P接电源的正端，N接电源的负端）时，伏安特性曲线分为正向
死区和正向导通区两部分。
    1)正向死区：图1所示OA段，称为正向死区。当加在二极管两端正向电压较小时，正向电流极小（几乎为零），二极管呈现很大的电阻，这一部分区域称为正向特性的死区。随着二极管两端电压不断增大，并超过某一电压时，流过二极管的电流迅速增加，所以称这个电压为门坎电压，有时也称死区电压。在常温下，硅管的门坎电压约为0.5 -0.7V．锗管约为0 1 -0. 3V。
    2)正向导通区：图1所示AB段为正向导通区。当二极管正向电压大于门坎电压Vth时，电流随电压增加而迅速增大，二极管处于导通状态，电流与电压的关系基本上是一条指数曲线。此时正向电流上升很快，而二极管的正向压降变化很小，基本保持不变。
    (2)反向特性
    当二极管两端加反向电压时，伏安特性曲线分为反向截止区和反向击穿区两部分。
    1)反向截止区：图1中OC段为反向截止区。在反向截止区，给二极管加反向电压时，反向电流很小，呈现的电阻很大，二极管处于反向截止状态，这时流过二极管的反向电流几乎不随反向电压的变化而变化，该电流叫做反向饱和电流Is。在正常情况下，小功率硅管的反向漏电流很小，只有纳安( nA)数量级，它的数值越小越好。反向饱和电流受温度影响较大，温度升高时，反向饱和电流随之增加。
    2)反向击穿区：当反向电压增加到一定大小时，反向电流急剧增加，这种现象称为二极管的反向击穿，如图1的CD段所示，这时的反向电压称为二极管的反向击穿电压，用V_BR表示。普通二极管反向击穿后，应当采取限流措旅，否则很大的反向击穿电流会使PN结温度迅速升高而烧坏PN结。在实际应用中，应尽量避免二极管的反向击穿。
2.动态特性
因为结电容的存在，功率二极管在零偏置（外加电压为零）、正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是功率二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。这个概念虽然由功率二极管引出，但可以推广至其他各种电力电子器件。
图2给出了功率二极管由正向偏置转换为反向偏置时其动态过程的波形。当原处于正向导通状态的功率二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该功率二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。这是因为正向导通时在PN结两侧储存的大量少子需要被清除掉以达到反向偏置稳态的缘故。 设tf时刻外加电压突然由正向变为反向，正向电流在此反向电压作用下开始下降，下降速率由反向电压大小和电路中的电感决定，而管压降由于电导调制效应基本变化不大，直至正向电流降为零的时刻t0。此时功率二极管由于在PN结两侧（特别是多掺杂N区）储存有大量少子而并没有恢复反向阻断能力，这些少子在外加反向电压的作用下被抽取出功率二极管，因而形成较大的反向电流。当空间电荷区附近的储存少子即将被抽尽时，管压降变为负极性，于是开始抽取离空间电荷区较远的浓度较低的少子。因而在管压降极性改变后不久的t1时刻反向电流从其最大值I_RP开始下降，空间电荷区开始迅速展宽，功率二极管开始重新恢复对反向电压的阻断能力。在t1时刻以后，由于反向电流迅速下降，在外电路电感的作用下会在功率二极管两端产生比外加反向电压大得多的反向电压过冲U_RP。在电流变化率接近于零的t2时刻（有的标准定为电流降至25%I_RP的时刻），功率二极管两端承受的反向电压才降至外加电压的大小，功率二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。时间td=t1-t0被称为延迟时间，tf=t2-t1被称为电流下降时间，而时间trr=td+tf则被称为功率二极管的反向恢复时间。其下降时间与延迟时间的比值tf／td被称为恢复特性的软度，或者恢复系数，用Sr表示。Sr越大则称恢复特性越软，实际上就是反向电流下降时间相对较长，因而在同样的外电路条件下造成的反向电压过冲U_RP较小。
图2b给出了功率二极管由零偏置转换为正向偏置时其动态过程的波形。可以看出，在这一动态过程中，功率二极管的正向压降也会先出现一个过冲U_F，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。出现电压过冲的原因是：
1)电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大。
2)正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，U_FP越高。当功率二极管由反向偏置转换为正向偏置时，除上述时间外，势垒电容电荷的调整也需要较多时间来完成。
功率二极管的主要参数：
1．正向平均电流IF(AV)
指功率二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用Tc表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。在此电流下，因管子的正向压降引起的损耗造成的结温升高不会超过所允许的最高工作结温（见主要参数4）。这也是标称其额定电流的参数。可以看出，正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此在使用时应按照工作中实际波形的电流与正向平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取功率二极管的电流定额，并应留有一定的裕量。通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流I_F(AV)对应的有效值为1.57I_F(AV)。不过，应该注意的是，当用在频率较高的场合时，功率二极管的发热原因除了正向电流造成的通态损耗外，其开关损耗也往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的功率二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。在选择功率二极管正向电流定额时，这些都应加以考虑。
2．正向压降U_F
指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。有时候，其参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时功率二极管的最大瞬时正向压降。
3反向重复峰值电压U_RRM
指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压U_B的2/3。使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数。
4最高工作结温T_JM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用T_JM表示。T_JM通常在125 - 175℃范围之内。
5．反向恢复时间trr。见上述描述。
6．浪涌电流I_FSM
指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。