功率二極管特性及主要參數

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)定導通狀態(tài)。與正向電流If對應的功率二極管兩端的電壓Uf，即為其正向電壓降。當功率二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。     (1)正向特性
    當二極管加正向電壓（P接電源的正端，N接電源的負端）時，伏安特性曲線分為正向
死區(qū)和正向導通區(qū)兩部分。
    1)正向死區(qū)：圖1所示OA段，稱為正向死區(qū)。當加在二極管兩端正向電壓較小時，正向電流極小（幾乎為零），二極管呈現很大的電阻，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，并超過某一電壓時，流過二極管的電流迅速增加，所以稱這個電壓為門坎電壓，有時也稱死區(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)正向導通區(qū)：圖1所示AB段為正向導通區(qū)。當二極管正向電壓大于門坎電壓Vth時，電流隨電壓增加而迅速增大，二極管處于導通狀態(tài)，電流與電壓的關系基本上是一條指數曲線。此時正向電流上升很快，而二極管的正向壓降變化很小，基本保持不變。
    (2)反向特性
    當二極管兩端加反向電壓時，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，反向電流很小，呈現的電阻很大，二極管處于反向截止狀態(tài)，這時流過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)數量級，它的數值越小越好。反向飽和電流受溫度影響較大，溫度升高時，反向飽和電流隨之增加。
    2)反向擊穿區(qū)：當反向電壓增加到一定大小時，反向電流急劇增加，這種現象稱為二極管的反向擊穿，如圖1的CD段所示，這時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，應當采取限流措旅，否則很大的反向擊穿電流會使PN結溫度迅速升高而燒壞PN結。在實際應用中，應盡量避免二極管的反向擊穿。
2.動態(tài)特性
因為結電容的存在，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)之間轉換的時候，必然經歷一個過渡過程。在這些過渡過程中，PN結的一些區(qū)域需要一定時間來調整其帶電狀態(tài)，因而其電壓-電流特性不能用前面的伏安特性來描述，而是隨時間變化的，這就是功率二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性。這個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換為反向偏置時其動態(tài)過程的波形。當原處于正向導通狀態(tài)的功率二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r，該功率二極管并不能立即關斷，而是須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。這是因為正向導通時在PN結兩側儲存的大量少子需要被清除掉以達到反向偏置穩(wěn)態(tài)的緣故。 設tf時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，而管壓降由于電導調制效應基本變化不大，直至正向電流降為零的時刻t0。此時功率二極管由于在PN結兩側（特別是多摻雜N區(qū)）儲存有大量少子而并沒有恢復反向阻斷能力，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。當空間電荷區(qū)附近的儲存少子即將被抽盡時，管壓降變?yōu)樨摌O性，于是開始抽取離空間電荷區(qū)較遠的濃度較低的少子。因而在管壓降極性改變后不久的t1時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對反向電壓的阻斷能力。在t1時刻以后，由于反向電流迅速下降，在外電路電感的作用下會在功率二極管兩端產生比外加反向電壓大得多的反向電壓過沖U_RP。在電流變化率接近于零的t2時刻（有的標準定為電流降至25%I_RP的時刻），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對反向電壓的阻斷能力。時間td=t1-t0被稱為延遲時間，tf=t2-t1被稱為電流下降時間，而時間trr=td+tf則被稱為功率二極管的反向恢復時間。其下降時間與延遲時間的比值tf／td被稱為恢復特性的軟度，或者恢復系數，用Sr表示。Sr越大則稱恢復特性越軟，實際上就是反向電流下降時間相對較長，因而在同樣的外電路條件下造成的反向電壓過沖U_RP較小。
圖2b給出了功率二極管由零偏置轉換為正向偏置時其動態(tài)過程的波形�？梢钥闯觯�在這一動態(tài)過程中，功率二極管的正向壓降也會先出現一個過沖U_F，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。出現電壓過沖的原因是：
1)電導調制效應起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大。
2)正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，U_FP越高。當功率二極管由反向偏置轉換為正向偏置時，除上述時間外，勢壘電容電荷的調整也需要較多時間來完成。
功率二極管的主要參數：
1．正向平均電流IF(AV)
指功率二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用Tc表示）和散熱條件下，其允許流過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溫升高不會超過所允許的最高工作結溫（見主要參數4）。這也是標稱其額定電流的參數�？梢钥闯�，正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此在使用時應按照工作中實際波形的電流與正向平均電流所造成的發(fā)熱效應相等，即有效值相等的原則來選取功率二極管的電流定額，并應留有一定的裕量。通過對正弦半波電流的換算可知，正向平均電流I_F(AV)對應的有效值為1.57I_F(AV)。不過，應該注意的是，當用在頻率較高的場合時，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，其開關損耗也往往不能忽略。當采用反向漏電流較大的功率二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不小。在選擇功率二極管正向電流定額時，這些都應加以考慮。
2．正向壓降U_F
指功率二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。有時候，其參數表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時功率二極管的最大瞬時正向壓降。
3反向重復峰值電壓U_RRM
指對功率二極管所能重復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，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選定此項參數。
4最高工作結溫T_JM
結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。最高工作結溫是指在PN結不致?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。
5．反向恢復時間trr。見上述描述。
6．浪涌電流I_FSM
指功率二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。