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(hào)和靜態(tài)伏安特性。我們已經(jīng)知道，當(dāng)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(shí)便開始導(dǎo)通；若二極管兩端加以反向電壓時(shí)，在被擊穿前僅有極小的可忽略不計(jì)的泄漏電流流過器件；正常工作時(shí)，加在二極管上的反向電壓應(yīng)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(shí)僅有極小的漏電流和在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)管壓降很低的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)中（例如，當(dāng)估算器件的散熱條件時(shí)，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(duì)應(yīng)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(shí)的等效電阻。作為基礎(chǔ)性原理介紹，在以后的電路分析中涉及二極管時(shí)，我們均采用理想特性圖1（c）進(jìn)行簡(jiǎn)化替代。

由于二極管的導(dǎo)通速度相對(duì)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(guān)。但是在其關(guān)斷過程中，由于半導(dǎo)體PN結(jié)需要進(jìn)行反向充電，以便與阻斷電壓相平衡，二極管中的電流會(huì)反向流動(dòng)，并持續(xù)一段時(shí)間后才衰減為0，這段時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間trr，如圖3所示。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)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(duì)換流器的換相工作特性影響不大；因此，在二極管關(guān)斷的瞬間仍然可以把它看成是理想開關(guān)。

按照實(shí)際應(yīng)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(fù)時(shí)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(fù)二極管。用于與可控開關(guān)配合的高頻電路中。這些電路要求很小的反向恢復(fù)時(shí)間，例如，在數(shù)百伏電壓和上百安培電流條件下，其trr應(yīng)小于幾個(gè)微秒。

（3）工頻二極管。其導(dǎo)通態(tài)正向壓降很低，但反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，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(yīng)用。

（1）整流 利用二極管正偏時(shí)導(dǎo)通、反偏時(shí)截止的不對(duì)稱非線性特性（見圖1b）實(shí)現(xiàn)整流變換，如圖4（a）所示，這是二極管最基本的應(yīng)用。

（2）續(xù)流 用做續(xù)流二極管，如圖4（b）所示。當(dāng)開關(guān)S切斷電感電路時(shí)，為防止電感產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)e=L*di/dt，而損壞設(shè)備，接入一個(gè)二極管D，使電感電流有一個(gè)繼續(xù)流動(dòng)的回路，使開關(guān)S在關(guān)斷時(shí)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(guān)器件兩端出現(xiàn)高壓。

（3）限幅 當(dāng)輸入信號(hào)電壓Us變化范圍很大時(shí)，為了使信號(hào)電壓的幅值能夠限制在某個(gè)范圍之內(nèi)，可采用圖4（c）所示的二極管限幅電路。設(shè)二極管閾值電壓為Uth，當(dāng)Us<Uth時(shí)，二極管截止不導(dǎo)通，信號(hào)全部輸出，Uo=Us；當(dāng)Us>Uth時(shí)，二極管導(dǎo)通，二極管電壓被限制為正向?qū)妷骸Ｒ粋€(gè)硅管約為0.7V，一個(gè)鍺管約為0.3V。幾個(gè)二極管串聯(lián)可得到不同的限幅值。

（4）鉗位 圖4（d）中 負(fù)載電阻RL改變時(shí)，只要二極管D處于正偏導(dǎo)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(fù)載無關(guān)。即Uo被鉗位到UG+UF。當(dāng)然要保持二極管總是處于正偏導(dǎo)通狀態(tài)，RL不能過小，RL太小時(shí)流過R上的電流過大、R上的電壓降太大以致（E=R*I）<UG時(shí)，二極管反偏截止，Uo將隨RL的改變而改變，鉗位電路失去作用。

（5）穩(wěn)壓 穩(wěn)壓管（符號(hào)為圖4（e）中的DZ）也是一種半導(dǎo)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(shí)，其反向端電壓基本不變。因此，圖4（e）中當(dāng)電源電壓Us改變時(shí)，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(fù)載電壓Uo基本不變。這種簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電路應(yīng)用也很廣泛。
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