新聞中心

EEPW首頁(yè) > 元件/連接器 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 功率二極管是什么器件?詳細(xì)分析功率二極管的工作原理

功率二極管是什么器件?詳細(xì)分析功率二極管的工作原理

作者: 時(shí)間:2024-08-08 來(lái)源:李工談元器件 收藏

今天給大家講一下。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202408/461777.htm

是什么器件?

是二極管的一類,是一種簡(jiǎn)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(yáng)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(lái)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(yáng)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(yáng)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。考慮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(yáng)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(lái)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(guò)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(yáng)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(guò)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(shì)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(lái)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(zhǎng),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(zhǎng)中占主導(dǎo)地位,并且曲線幾乎呈線性增長(zhǎng)。

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(guò)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(shuō),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)ā7聪蛄鲃?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(guò)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(cè)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)此值。

反向漏電流

是反向偏壓下流過(guò)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(guò)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(cè)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(jiàn)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(lái)安裝和與周圍可用的金屬框架絕緣。



評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉