《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術 > 設計應用 > 功率二極管原理與應用
功率二極管原理與應用
摘要: 由于二極管的導通速度相對電力電路的暫態(tài)變化過程來說要快得多,,因此可把二極管看成理想開關,。但是在其關斷過程中,,由于半導體PN結(jié)需要進行反向充電,以便與阻斷電壓相平衡,。
Abstract:
Key words :

  1,、 功率二極管的基本特性

  圖1(a)和圖1(b)所示為功率二極管的電路符號和靜態(tài)伏安特性。我們已經(jīng)知道,,當二極管處在正向電壓作用下,,管子兩端正偏壓很小(約1V左右)時便開始導通,;若二極管兩端加以反向電壓時,,在被擊穿前僅有極小的可忽略不計的泄漏電流流過器件;正常工作時,,加在二極管上的反向電壓應小于擊穿限定電壓值,。

  根據(jù)二極管在阻斷狀態(tài)(反向電壓下)時僅有極小的漏電流和在導通狀態(tài)時管壓降很低的特點,比較其工作過程中的電壓和電流的變化,,我們可以得到它的理想伏安特性,,如圖1(c)所示,。該理想特性可用于換流器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理分析,。但是在要求有二極管精確模型的電路分析或?qū)嶋H換流器的設計中(例如,當估算器件的散熱條件時,,必須知道管子的正向壓降,,盡管該參數(shù)值可能很小),常用另一種理想特性表示,,如圖2(a)所示,,對應的等效電路如圖2(b)。圖2(b)中E代表二極管的正向?qū)ㄆ珘?,電阻RD表示正向?qū)〞r的等效電阻,。作為基礎性原理介紹,在以后的電路分析中涉及二極管時,,我們均采用理想特性圖1(c)進行簡化替代,。

  

  由于二極管的導通速度相對電力電路的暫態(tài)變化過程來說要快得多,因此可把二極管看成理想開關,。但是在其關斷過程中,,由于半導體PN結(jié)需要進行反向充電,以便與阻斷電壓相平衡,,二極管中的電流會反向流動,,并持續(xù)一段時間后才衰減為0,這段時間稱為反向恢復時間trr,,如圖3所示,。這種現(xiàn)象可能導致含有電感的電路發(fā)生過電壓,但在多數(shù)工頻整流電路中,,它對換流器的換相工作特性影響不大,;因此,在二極管關斷的瞬間仍然可以把它看成是理想開關,。

  

  按照實際應用的要求,,可選擇以下不同類型的功率二極管。

 ?。?)肖特基二極管,。與常用的PN結(jié)整流二極管不同,它是單極性二極管,,因此不受充電過程和反向恢復時間trr(一般略為幾十納秒)的影響,。從器件結(jié)構(gòu)而言,在降低正向管壓降和增大反向漏電流間取其折中結(jié)果,,它適用于較低輸出電壓和要求有較低正向管壓降(典型值為0.3V)的換流器電路,。這種二極管的反向阻斷電壓水平在50~100V之間。

 ?。?)快速恢復二極管,。用于與可控開關配合的高頻電路中。這些電路要求很小的反向恢復時間,,例如,,在數(shù)百伏電壓和上百安培電流條件下,,其trr應小于幾個微秒。

 ?。?)工頻二極管,。其導通態(tài)正向壓降很低,但反向恢復時間較長,,這在工頻電路中是可以接受的,,它適用于反向阻斷電壓數(shù)千伏和工作電流數(shù)千安的大容量換流器。從理論上講,,可通過這種二極管的串,、并聯(lián)滿足任意電壓和電流數(shù)值的要求。

  1,、 功率二極管的基本特性

  圖1(a)和圖1(b)所示為功率二極管的電路符號和靜態(tài)伏安特性,。我們已經(jīng)知道,當二極管處在正向電壓作用下,,管子兩端正偏壓很?。s1V左右)時便開始導通;若二極管兩端加以反向電壓時,,在被擊穿前僅有極小的可忽略不計的泄漏電流流過器件,;正常工作時,加在二極管上的反向電壓應小于擊穿限定電壓值,。

  根據(jù)二極管在阻斷狀態(tài)(反向電壓下)時僅有極小的漏電流和在導通狀態(tài)時管壓降很低的特點,,比較其工作過程中的電壓和電流的變化,我們可以得到它的理想伏安特性,,如圖1(c)所示,。該理想特性可用于換流器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理分析。但是在要求有二極管精確模型的電路分析或?qū)嶋H換流器的設計中(例如,,當估算器件的散熱條件時,,必須知道管子的正向壓降,盡管該參數(shù)值可能很?。?,常用另一種理想特性表示,如圖2(a)所示,,對應的等效電路如圖2(b),。圖2(b)中E代表二極管的正向?qū)ㄆ珘海娮鑂D表示正向?qū)〞r的等效電阻,。作為基礎性原理介紹,,在以后的電路分析中涉及二極管時,我們均采用理想特性圖1(c)進行簡化替代,。

  

  由于二極管的導通速度相對電力電路的暫態(tài)變化過程來說要快得多,,因此可把二極管看成理想開關。但是在其關斷過程中,,由于半導體PN結(jié)需要進行反向充電,,以便與阻斷電壓相平衡,二極管中的電流會反向流動,,并持續(xù)一段時間后才衰減為0,,這段時間稱為反向恢復時間trr,如圖3所示,。這種現(xiàn)象可能導致含有電感的電路發(fā)生過電壓,,但在多數(shù)工頻整流電路中,它對換流器的換相工作特性影響不大,;因此,,在二極管關斷的瞬間仍然可以把它看成是理想開關。

  

  按照實際應用的要求,,可選擇以下不同類型的功率二極管,。

  (1)肖特基二極管,。與常用的PN結(jié)整流二極管不同,,它是單極性二極管,因此不受充電過程和反向恢復時間trr(一般略為幾十納秒)的影響,。從器件結(jié)構(gòu)而言,,在降低正向管壓降和增大反向漏電流間取其折中結(jié)果,它適用于較低輸出電壓和要求有較低正向管壓降(典型值為0.3V)的換流器電路,。這種二極管的反向阻斷電壓水平在50~100V之間,。

  (2)快速恢復二極管,。用于與可控開關配合的高頻電路中,。這些電路要求很小的反向恢復時間,例如,,在數(shù)百伏電壓和上百安培電流條件下,,其trr應小于幾個微秒。

 ?。?)工頻二極管,。其導通態(tài)正向壓降很低,但反向恢復時間較長,,這在工頻電路中是可以接受的,,它適用于反向阻斷電壓數(shù)千伏和工作電流數(shù)千安的大容量換流器。從理論上講,,可通過這種二極管的串,、并聯(lián)滿足任意電壓和電流數(shù)值的要求,。

  2、 二極管的基本應用,。

 ?。?)整流 利用二極管正偏時導通、反偏時截止的不對稱非線性特性(見圖1b)實現(xiàn)整流變換,,如圖4(a)所示,,這是二極管最基本的應用。

  

 ?。?)續(xù)流 用做續(xù)流二極管,,如圖4(b)所示。當開關S切斷電感電路時,,為防止電感產(chǎn)生很高的反電動勢e=L*di/dt,,而損壞設備,接入一個二極管D,,使電感電流有一個繼續(xù)流動的回路,,使開關S在關斷時其兩端電壓不超過電源電壓Us,避免了因電感斷流而在開關器件兩端出現(xiàn)高壓,。

 ?。?)限幅 當輸入信號電壓Us變化范圍很大時,為了使信號電壓的幅值能夠限制在某個范圍之內(nèi),,可采用圖4(c)所示的二極管限幅電路,。設二極管閾值電壓為Uth,當UsUth時,,二極管導通,二極管電壓被限制為正向?qū)妷?。一個硅管約為0.7V,,一個鍺管約為0.3V。幾個二極管串聯(lián)可得到不同的限幅值,。

  (4)鉗位 圖4(d)中 負載電阻RL改變時,只要二極管D處于正偏導通狀態(tài),;則輸出端電壓Uo將等于電源電壓UG加二極管正向電壓降UF,,Uo=UG+UF,而與負載無關,。即Uo被鉗位到UG+UF,。當然要保持二極管總是處于正偏導通狀態(tài),RL不能過小,,RL太小時流過R上的電流過大、R上的電壓降太大以致(E=R*I)

  (5)穩(wěn)壓 穩(wěn)壓管(符號為圖4(e)中的DZ)也是一種半導體二極管,。這種二極管的正常工作區(qū)市政反向擊穿區(qū),,如圖1(b)中第三象限區(qū)。二極管反向擊穿后反向電流改變時,,其反向端電壓基本不變,。因此,圖4(e)中當電源電壓Us改變時,,通過穩(wěn)壓管的反向電流改變,,使串聯(lián)電阻R上的壓降改變,而使負載電壓Uo基本不變,。這種簡單的穩(wěn)壓電路應用也很廣泛,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。