功率二极管是什么器件？详细分析功率二极管的工作原理

今天给大家讲一下功率二极管。

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功率二极管是二极管的一类，是一种简单的半导体器件。与普通二极管一样，功率二极管具有两个端子并沿一个方向传导电流。但功率二极管与普通二极管的区别还是有很大的。

功率二极管与普通二级管实物区别图

1、普通二极管是P型和N型，2层；功率二极管是有3层，p+层和n+层之间之间存在漂移区。

2、 功率二极管的电压、电流和功率额定值较高，而普通二极管的电压、电流和功率额定值都比较低。

3、功率二极管高速工作，普通二极管以更高的开关速度工作。

4、功率二极管适用于逆变器等使用大电流和电压的地方，而普通二极管适用于小信号应用。

下面为功率二极管和普通二极管的区别对比图。

普通二极管的符号图

功率二极管的结构包括3层，如P+层、n-层和n+层。这里的顶层是 P+ 层，是重掺杂。中间层为n-层，轻掺杂，最后一层为n+层，重掺杂。下图为示意图。

功率二极管符号图

功率二极管结构图

p+层充当阳极，该层的厚度为10 μm，掺杂水平为Na，图中有具体的数字。（公式的幂打起来麻烦）

n+层作为阴极，该层的厚度为250-300 μm，掺杂水平为Nd，图中有具体的数字。

n-层作为中间层/漂移层，该层的厚度主要取决于击穿电压和掺杂水平为Nd，图中也有具体的数字。一旦n-层宽度增加，则击穿电压将增加。

功率二极管的工作原理与普通的PN结二极管类似。当阳极端电压高于阴极端电压时，功率二极管导通。功率二极管的正向压降范围非常小，约为 0.5V – 1.2V。在这种模式下，功率二极管作为正向特性工作。

如果阴极电压高于阳极电压，则功率二极管执行阻断模式。在这种模式下，功率二极管的表现类似于反向特性。

功率二极管的工作方式与普通二极管有些相似。考虑如下所示的功率二极管的正向偏置条件，其中电池的正极端子连接到阳极，负极端子形成与阴极的连接。

在这种情况下，结将获得正向偏置，并且来自 p +区的多数载流子（空穴）开始注入到 n- 漂移区。当注入速率较低时，p +区的空穴将与 n -区的电子复合。但是随着注入速率的增加，空穴将穿透并与 n +区域的电子重新结合。这称为双重注射。由于漂移区内的载流子流动和复合，一旦超过阈值，二极管就会开始大量导通。

在反向偏置条件下，其中电池的负极端子与阳极连接，正极端子与阴极连接。

在这种情况下，结变为反向偏置，并且与普通二极管一样，功率二极管也在这种情况下停止导通。这里耗尽区延伸到漂移区，这将导致少数载流子难以穿透结。

需要注意的是，施加电位极性的突然变化不会立即停止电流的流动。此外，存储在结中的少数电荷将导致小的漏电流（大约100 mA）以相反的方向流过二极管。该反向电流表现出对结温变化的依赖性。一旦施加的电势等于击穿电压，就会发生碰撞电离。

功率二极管的特性主要是三个：

• VI特性

• 反向恢复特性

• 开关特性

接下来将针对这3个特性分别进行分析。

下图显示普通二极管与功率二极管相对比的VI特性。

在用于正向的普通二极管中，在偏置区域中，电流呈指数增长，但在功率二极管中，高正向电流会导致高欧姆压降，这在指数增长中占主导地位，并且曲线几乎呈线性增长。

功率二级管和普通二极管的VI特性图

功率二级管的VI特性图

功率二极管可以承受的最大反向电压用VRRM表示，即峰值反向重复电压。

超过这个电压，反向电流突然变得非常高，并且由于二极管的设计不是为了散发如此高的热量，它可能会被破坏。该电压也可以称为峰值反向电压（PIV）。

下图描绘功率二极管的反向恢复特性。每当二极管关断时，电流从IF衰减到零，并且由于存储在空间电荷区和半导体区中的电荷而进一步沿反向继续。

功率二极管的反向恢复特性图·

功率二极管的特点是正向恢复时间 ( t F ) 和反向恢复时间 (trr) 。

正向恢复时间（tF）：正向恢复时间是二极管开始导通所需的时间，称为正向恢复时间。换句话说，二极管从关闭状态切换到开启状态所花费的时间称为正向恢复时间 ( t F )。

反向恢复时间（trr）：正向二极管电流衰减为零后，由于两层中存在存储电荷，二极管继续反向导通。反向流动的时间称为反向恢复时间（trr）。二极管保持其阻断能力，直到反向恢复电流衰减为零。

反向恢复时间：为从瞬时正向二极管电流变为零到瞬时反向恢复电流衰减到其反向峰值 Irm 的 25% 之间的时间。

反向恢复时间：是两段时间 ta 和 tb 的组合，即 trr = ta + tb。

其中时间 ta 是正向电流过零和峰值反向电流 Irm 之间的时间。在时间ta期间，存储在耗尽区的电荷被移除。时间 tb 是从 Irm 的瞬间到达到 0.25 Irm 的瞬间测量的。在 tb carge 期间，去除了两个半导体。

ta/tb 的比值称为柔软度系数或 S系数。软度等于1的二极管称为软恢复二极管，软度系数小于1的二极管称为快恢复二极管或快恢复二极管。

功率二极管将导通从反向偏置变为正向偏置状态（打开）和反之（关闭）所需的时间更短。由于以下原因，在这些开关期间流过二极管的电流和施加在二极管上的电压的行为至关重要。

较高的电压/电流可能是由二极管在使用二极管的不同电路中切换引起的。

在二极管的开关操作过程中存在电压和电流。对于每一个开关时间，二极管都会发生轻微的损耗。在高开关频率下，这可能会导致二极管的整体功率损耗。

功率二极管使用许多不同的 IC 封装类型。示例包括：

• 二极管外形 (DO)

• 小外形二极管 (SOD)

• 晶体管外形 (TO)

• 小外形晶体管 (SOT)

• 分立封装 (DPAK)

• 金属电极无铅面 (MELF)

DO-4、DO-5、DO-8、DO-9、DO-15、DO-27、DO-34、DO-35、DO-41 和 DO-201 是二极管外形 (DO) 封装。

SOD-80、SOD-106、SOD-123、SOD-323 和 SOD-523 是小外形二极管 (SOD) 封装。

TO-3、TO-66、TO-92、TO-202、TO-220、TO-237 和 TO-247 是晶体管外形 (TO) 封装。

SOT23、SOT26、SOT89、SOT143、SOT223、SOT323、SOT343、SOT346、SOT353、SOT363、SOT416、SOT457 和 SOT523 是小外形晶体管 (SOT) 封装。

用于功率二极管的 MELF 封装包括 QuadroMELF、MicroMELF 和 MiniMELF。

D2PAK 是一种包含散热器的大型表面贴装封装。SC-59、SC-74 和 SC-76 是具有三个引线的塑料表面贴装封装。

平均正向电流

通常用于 50/60 Hz 正弦波信号的平均整流正向电流。它是在二极管导通的一半交流信号和另一半二极管不导通时的平均值。

最大重复正向电流

是功率二极管可以在不损坏的情况下传导的最大电流。这通常用于电源线电压的电源整流。

最大直流反向电压

是功率二极管可以处理的最大连续电压。任何电压尖峰都应在这个可容忍的范围内。整流二极管通常与电容器并联以平滑高压尖峰。

重复峰值反向电压

功率二极管可以处理的交流信号的最大反向电压。重复峰值反向电压总是小于最大直流反向电压。

最大工作峰值反向电压

是二极管可以随时处理的最大反向电压。交流信号的任何峰值电压或连续信号的幅度不应超过此值。

反向漏电流

是反向偏压下流过功率二极管的反向电流。该电流是由热效应引起的，并且是由少数电荷载流子贡献的。功率二极管的漏电流可达数百毫安。

反向恢复时间

当二极管从正向偏置切换到反向偏置时，电流从正向电流水平下降到漏电流水平所需的时间称为反向恢复时间。它通常以纳秒为单位。当功率二极管必须用于 SMPS 等高速开关应用时，这是一个重要参数。

最高温度

是二极管所能承受的最高温度。在正向偏置中，二极管会因电流而发热。这是二极管的结温。环境温度也会加热二极管。随着温度的升高，通过二极管的电流增加，二极管温度也随着电流的增加而升高。这最终会损坏二极管或导致不可预测的行为。因此，二极管必须仅在适当的工作条件下使用。

有许多不同类型的功率二极管，包括：

• 大电流二极管

• 高压二极管

• PN功率二极管

• PIN功率二极管

• 射频功率二极管

• 开关功率二极管

• 整流功率二极管

基本功率二极管由内置在芯片中的二极管组成。功率二极管阵列由单个硅芯片上的多个离散且通常未连接的器件组成。PIN 数和嵌入式二极管的数量因集成电路 (IC) 封装类型而异。

功率/整流二极管的常见应用如下：

• 半波整流

• 全波整流

• 电池充电电路

• 逆变器电路

• 直流电源

• 开关电源

功率二极管的优缺点包括以下几点：

• 这个二极管的PN结区很大，可以提供很大的电流，但是这个结的电容也可以很大，工作在较低的频率，一般只用于整流。

• 它将在大电流和高电压下解析交流电。

• 主要缺点是它的尺寸和可能需要在传导高电流时固定在散热器上。

• 它需要专门的硬件来安装和与周围可用的金属框架绝缘。