今天給大家講一下功率二極管。

功率二極管是什么器件？

功率二極管是二極管的一類，是一種簡單的半導(dǎo)體器件。與普通二極管一樣，功率二極管具有兩個(gè)端子并沿一個(gè)方向傳導(dǎo)電流。但功率二極管與普通二極管的區(qū)別還是有很大的。

功率二極管與普通二級(jí)管實(shí)物區(qū)別圖

功率二極管和普通二極管的區(qū)別

1、普通二極管是P型和N型，2層；功率二極管是有3層，p+層和n+層之間之間存在漂移區(qū)。

2、 功率二極管的電壓、電流和功率額定值較高，而普通二極管的電壓、電流和功率額定值都比較低。

3、功率二極管高速工作，普通二極管以更高的開關(guān)速度工作。

4、功率二極管適用于逆變器等使用大電流和電壓的地方，而普通二極管適用于小信號(hào)應(yīng)用。

下面為功率二極管和普通二極管的區(qū)別對(duì)比圖。

普通二極管的符號(hào)圖

功率二極管的結(jié)構(gòu)包括3層，如P+層、n-層和n+層。這里的頂層是 P+ 層，是重?fù)诫s。中間層為n-層，輕摻雜，最后一層為n+層，重?fù)诫s。下圖為示意圖。

功率二極管符號(hào)圖

功率二極管結(jié)構(gòu)圖

p+層充當(dāng)陽極，該層的厚度為10 μm，摻雜水平為Na，圖中有具體的數(shù)字。（公式的冪打起來麻煩）

n+層作為陰極，該層的厚度為250-300 μm，摻雜水平為Nd，圖中有具體的數(shù)字。

n-層作為中間層/漂移層，該層的厚度主要取決于擊穿電壓和摻雜水平為Nd，圖中也有具體的數(shù)字。一旦n-層寬度增加，則擊穿電壓將增加。

功率二極管工作原理

功率二極管的工作原理與普通的PN結(jié)二極管類似。當(dāng)陽極端電壓高于陰極端電壓時(shí)，功率二極管導(dǎo)通。功率二極管的正向壓降范圍非常小，約為 0.5V – 1.2V。在這種模式下，功率二極管作為正向特性工作。

如果陰極電壓高于陽極電壓，則功率二極管執(zhí)行阻斷模式。在這種模式下，功率二極管的表現(xiàn)類似于反向特性。

功率二極管正向偏置

功率二極管的工作方式與普通二極管有些相似?？紤]如下所示的功率二極管的正向偏置條件，其中電池的正極端子連接到陽極，負(fù)極端子形成與陰極的連接。

在這種情況下，結(jié)將獲得正向偏置，并且來自 p +區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）開始注入到 n- 漂移區(qū)。當(dāng)注入速率較低時(shí)，p +區(qū)的空穴將與 n -區(qū)的電子復(fù)合。但是隨著注入速率的增加，空穴將穿透并與 n +區(qū)域的電子重新結(jié)合。這稱為雙重注射。由于漂移區(qū)內(nèi)的載流子流動(dòng)和復(fù)合，一旦超過閾值，二極管就會(huì)開始大量導(dǎo)通。

功率二極管反向偏置

在反向偏置條件下，其中電池的負(fù)極端子與陽極連接，正極端子與陰極連接。

在這種情況下，結(jié)變?yōu)榉聪蚱?，并且與普通二極管一樣，功率二極管也在這種情況下停止導(dǎo)通。這里耗盡區(qū)延伸到漂移區(qū)，這將導(dǎo)致少數(shù)載流子難以穿透結(jié)。

需要注意的是，施加電位極性的突然變化不會(huì)立即停止電流的流動(dòng)。此外，存儲(chǔ)在結(jié)中的少數(shù)電荷將導(dǎo)致小的漏電流（大約100 mA）以相反的方向流過二極管。該反向電流表現(xiàn)出對(duì)結(jié)溫變化的依賴性。一旦施加的電勢等于擊穿電壓，就會(huì)發(fā)生碰撞電離。

功率二極管的特性

功率二極管的特性主要是三個(gè)：

• VI特性

• 反向恢復(fù)特性

• 開關(guān)特性

接下來將針對(duì)這3個(gè)特性分別進(jìn)行分析。

功率二極管的VI特性

下圖顯示普通二極管與功率二極管相對(duì)比的VI特性。

在用于正向的普通二極管中，在偏置區(qū)域中，電流呈指數(shù)增長，但在功率二極管中，高正向電流會(huì)導(dǎo)致高歐姆壓降，這在指數(shù)增長中占主導(dǎo)地位，并且曲線幾乎呈線性增長。

功率二級(jí)管和普通二極管的VI特性圖

功率二級(jí)管的VI特性圖

功率二極管可以承受的最大反向電壓用VRRM表示，即峰值反向重復(fù)電壓。

超過這個(gè)電壓，反向電流突然變得非常高，并且由于二極管的設(shè)計(jì)不是為了散發(fā)如此高的熱量，它可能會(huì)被破壞。該電壓也可以稱為峰值反向電壓（PIV）。

功率二極管的反向恢復(fù)特性

下圖描繪功率二極管的反向恢復(fù)特性。每當(dāng)二極管關(guān)斷時(shí)，電流從IF衰減到零，并且由于存儲(chǔ)在空間電荷區(qū)和半導(dǎo)體區(qū)中的電荷而進(jìn)一步沿反向繼續(xù)。

功率二極管的反向恢復(fù)特性圖·

功率二極管的特點(diǎn)是正向恢復(fù)時(shí)間 ( t F ) 和反向恢復(fù)時(shí)間 (trr) 。

正向恢復(fù)時(shí)間（tF）：正向恢復(fù)時(shí)間是二極管開始導(dǎo)通所需的時(shí)間，稱為正向恢復(fù)時(shí)間。換句話說，二極管從關(guān)閉狀態(tài)切換到開啟狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間稱為正向恢復(fù)時(shí)間 ( t F )。

反向恢復(fù)時(shí)間（trr）：正向二極管電流衰減為零后，由于兩層中存在存儲(chǔ)電荷，二極管繼續(xù)反向?qū)?。反向流?dòng)的時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間（trr）。二極管保持其阻斷能力，直到反向恢復(fù)電流衰減為零。

反向恢復(fù)時(shí)間：為從瞬時(shí)正向二極管電流變?yōu)榱愕剿矔r(shí)反向恢復(fù)電流衰減到其反向峰值 Irm 的 25% 之間的時(shí)間。

反向恢復(fù)時(shí)間：是兩段時(shí)間 ta 和 tb 的組合，即 trr = ta + tb。

其中時(shí)間 ta 是正向電流過零和峰值反向電流 Irm 之間的時(shí)間。在時(shí)間ta期間，存儲(chǔ)在耗盡區(qū)的電荷被移除。時(shí)間 tb 是從 Irm 的瞬間到達(dá)到 0.25 Irm 的瞬間測量的。在 tb carge 期間，去除了兩個(gè)半導(dǎo)體。

ta/tb 的比值稱為柔軟度系數(shù)或 S系數(shù)。軟度等于1的二極管稱為軟恢復(fù)二極管，軟度系數(shù)小于1的二極管稱為快恢復(fù)二極管或快恢復(fù)二極管。

功率二極管的開關(guān)特性

功率二極管將導(dǎo)通從反向偏置變?yōu)檎蚱脿顟B(tài)（打開）和反之（關(guān)閉）所需的時(shí)間更短。由于以下原因，在這些開關(guān)期間流過二極管的電流和施加在二極管上的電壓的行為至關(guān)重要。

較高的電壓/電流可能是由二極管在使用二極管的不同電路中切換引起的。

在二極管的開關(guān)操作過程中存在電壓和電流。對(duì)于每一個(gè)開關(guān)時(shí)間，二極管都會(huì)發(fā)生輕微的損耗。在高開關(guān)頻率下，這可能會(huì)導(dǎo)致二極管的整體功率損耗。

功率二極管的特征

功率二極管使用許多不同的 IC 封裝類型。示例包括：

• 二極管外形 (DO)

• 小外形二極管 (SOD)

• 晶體管外形 (TO)

• 小外形晶體管 (SOT)

• 分立封裝 (DPAK)

• 金屬電極無鉛面 (MELF)

DO-4、DO-5、DO-8、DO-9、DO-15、DO-27、DO-34、DO-35、DO-41 和 DO-201 是二極管外形 (DO) 封裝。

SOD-80、SOD-106、SOD-123、SOD-323 和 SOD-523 是小外形二極管 (SOD) 封裝。

TO-3、TO-66、TO-92、TO-202、TO-220、TO-237 和 TO-247 是晶體管外形 (TO) 封裝。

SOT23、SOT26、SOT89、SOT143、SOT223、SOT323、SOT343、SOT346、SOT353、SOT363、SOT416、SOT457 和 SOT523 是小外形晶體管 (SOT) 封裝。

用于功率二極管的 MELF 封裝包括 QuadroMELF、MicroMELF 和 MiniMELF。

D2PAK 是一種包含散熱器的大型表面貼裝封裝。SC-59、SC-74 和 SC-76 是具有三個(gè)引線的塑料表面貼裝封裝。

功率二極管選型需要注意哪些參數(shù)？

平均正向電流

通常用于 50/60 Hz 正弦波信號(hào)的平均整流正向電流。它是在二極管導(dǎo)通的一半交流信號(hào)和另一半二極管不導(dǎo)通時(shí)的平均值。

最大重復(fù)正向電流

是功率二極管可以在不損壞的情況下傳導(dǎo)的最大電流。這通常用于電源線電壓的電源整流。

最大直流反向電壓

是功率二極管可以處理的最大連續(xù)電壓。任何電壓尖峰都應(yīng)在這個(gè)可容忍的范圍內(nèi)。整流二極管通常與電容器并聯(lián)以平滑高壓尖峰。

重復(fù)峰值反向電壓

功率二極管可以處理的交流信號(hào)的最大反向電壓。重復(fù)峰值反向電壓總是小于最大直流反向電壓。

最大工作峰值反向電壓

是二極管可以隨時(shí)處理的最大反向電壓。交流信號(hào)的任何峰值電壓或連續(xù)信號(hào)的幅度不應(yīng)超過此值。

反向漏電流

是反向偏壓下流過功率二極管的反向電流。該電流是由熱效應(yīng)引起的，并且是由少數(shù)電荷載流子貢獻(xiàn)的。功率二極管的漏電流可達(dá)數(shù)百毫安。

反向恢復(fù)時(shí)間

當(dāng)二極管從正向偏置切換到反向偏置時(shí)，電流從正向電流水平下降到漏電流水平所需的時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間。它通常以納秒為單位。當(dāng)功率二極管必須用于 SMPS 等高速開關(guān)應(yīng)用時(shí)，這是一個(gè)重要參數(shù)。

最高溫度

是二極管所能承受的最高溫度。在正向偏置中，二極管會(huì)因電流而發(fā)熱。這是二極管的結(jié)溫。環(huán)境溫度也會(huì)加熱二極管。隨著溫度的升高，通過二極管的電流增加，二極管溫度也隨著電流的增加而升高。這最終會(huì)損壞二極管或?qū)е虏豢深A(yù)測的行為。因此，二極管必須僅在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下使用。

功率二極管類型

有許多不同類型的功率二極管，包括：

• 大電流二極管

• 高壓二極管

• PN功率二極管

• PIN功率二極管

• 射頻功率二極管

• 開關(guān)功率二極管

• 整流功率二極管

基本功率二極管由內(nèi)置在芯片中的二極管組成。功率二極管陣列由單個(gè)硅芯片上的多個(gè)離散且通常未連接的器件組成。PIN 數(shù)和嵌入式二極管的數(shù)量因集成電路 (IC) 封裝類型而異。

功率二極管應(yīng)用

功率/整流二極管的常見應(yīng)用如下：

• 半波整流

• 全波整流

• 電池充電電路

• 逆變器電路

• 直流電源

• 開關(guān)電源

功率二極管的優(yōu)缺點(diǎn)

功率二極管的優(yōu)缺點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：

• 這個(gè)二極管的PN結(jié)區(qū)很大，可以提供很大的電流，但是這個(gè)結(jié)的電容也可以很大，工作在較低的頻率，一般只用于整流。

• 它將在大電流和高電壓下解析交流電。

• 主要缺點(diǎn)是它的尺寸和可能需要在傳導(dǎo)高電流時(shí)固定在散熱器上。

• 它需要專門的硬件來安裝和與周圍可用的金屬框架絕緣。