1.1 不可控型器件——電力二極管

1.1.1 電力二極管的結構

電力二極管從結構上看是一個面積較大的PN結構成的二端半導體器件。因此，它與普通二極管一樣具有PN結的基本特性。

從外部構成看，也分成管芯和散熱器兩部分。這是由于二極管工作時管芯中要通過強大的電流，而PN結又有一定的正向電阻，管芯要因損耗而發熱。為了管芯的冷卻，必須配備散熱器。一般情況下，200A以下的管芯采用螺旋型，200A以上則采用平板型。多個電力二極管以一定結構形式封裝在一起而成為模塊結構。

圖1-1-2為電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號及模塊外形。

1.1.2 電力二極管的基本特性

1.電力二極管的伏安特性（靜態特性）

電力二極管的陽極和陰極間的電壓UAK與陽極電流IA之間的關系稱為伏安特性，如圖1-1-3所示。第Ⅰ象限為正向特性區，表現為正向導通狀態；第Ⅲ象限為反向特性區，表現為反向阻斷狀態。

當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO）時，正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀態。與正向平均電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。

2.電力二極管的開通、關斷特性（動態特性）

因結電容的存在，開關狀態之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓-電流特性是隨時間變化的，因此電力二極管具有延遲導通和延遲關斷的特征，關斷時會出現瞬時反向電流和瞬時反向過電壓。

1）電力二極管的開通過程

電力二極管的開通需要一定的過程，初期出現較高的瞬態壓降，經過一段時間后才達到穩定，且導通壓降很小。圖1-1-4為電力二極管的正向恢復特性曲線。由圖1-1-4可見，在正向恢復時間tfr內，正在開通的電力二極管上承受的峰值電壓UFP比穩態管壓降高得多，在有些二極管中的峰值電壓可達幾十伏。

2）電力二極管的關斷過程

電力二極管關斷時須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。其反向恢復過程中的電流和電壓波形如圖1-1-5所示。

電力二極管應用在低頻整流電路時可不考慮其動態過程，但在高頻逆變器、高頻整流器、緩沖電路等頻率較高的電力電子電路中就要考慮電力二極管的開通、關斷等動態過程。

1.1.3 電力二極管的主要參數

1.正向平均電流（額定電流）IF（AV）

正向平均電流是指在規定+40℃的環境溫度和標準散熱條件下，元件結溫達額定且穩定時，允許長時間連續流過工頻正弦半波電流的平均值。將此電流整化到等于或小于規定的電流等級，則為該二極管的額定電流。在選用大功率二極管時，應按元件允許通過的電流有效值來選取。對應額定電流IF（AV）的有效值為1.57IDM其中IDM為電力二極管所流過的最大有效值電流。

2.反向重復峰值電壓（額定電壓）URRM

在額定結溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第Ⅲ象限）急劇拐彎處所對應的反向峰值電壓，稱為反向不重復峰值電壓URSM。反向不重復峰值電壓值的80%稱為反向重復峰值電壓URRM。再將URRM整化到等于或小于該值的電壓等級，即為元件的額定電壓。

3.反向漏電流IRR

對應于反向重復峰值電壓URRM下的平均漏電流，稱為反向重復平均電流IRR。

4.正向壓降UF

在規定的+40℃環境溫度和標準的散熱條件下，元件通過工頻正弦半波額定正向平均電流時，元件陽、陰極間電壓的平均值，有時又稱為管壓降。元件發熱和損耗與UF有關，一般應選用管壓降小的元件以降低元件的導通損耗。

5.最高工作結溫TJM

結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。最高工作結溫TJM是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。

TJM通常在125～175℃范圍內。

6.反向恢復時間trr

trr=td+tf，在關斷過程中，電流降到0起到恢復反向阻斷能力止的時間。

7.大功率二極管的型號

普通型大功率二極管的型號用ZP表示，其中，Z代表整流特性，P為普通型。普通型大功率二極管型號可表示如下：

ZP[電流等級]—[電壓等級/100][通態平均電壓組別]

如型號為ZP50—16的大功率二極管表示：普通型大功率二極管，額定電流為50A，額定電壓為1600V。

1.1.4 電力二極管的主要類型

在實際應用時，應根據不同場合的不同要求，選擇在正向壓降、反向耐壓、反向漏電流、反向恢復特性等方面符合要求的電力二極管。

性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。

1.普通二極管（General Purpose Diode）

普通二極管又稱為整流二極管（Rectifier Diode），多用于開關頻率不高（1kHz 以下）的整流電路中。其反向恢復時間較長（反向恢復時間為2～5μs，這在開關頻率不高時并不重要），但其正向額定電流和反向額定電壓卻可以達到很高，分別可達數千安和數千伏。

2.快速恢復二極管（Fast Recovery Diode，FRD）

恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5μs以下）的二極管稱為快速恢復二極管，簡稱快速二極管，在工藝上多采用了摻金措施，有的采用PN結型結構，有的采用改進的PiN結構。采用外延型PiN結構的快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED），其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下，從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20～30ns。快速二極管的正向恢復特性，如圖1-1-6所示。

3.肖特基二極管

以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode，SBD），簡稱肖特基二極管。肖特基二極管在信息電子電路中早就得到了應用，但直到20世紀80年代以來，由于工藝的發展得以在電力電子電路中廣泛應用。

1）肖特基二極管的優點

（1）反向恢復時間很短（10～40ns）；

（2）在正向恢復過程中不會有明顯的電壓過沖；

（3）在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快速恢復二極管；

（4）其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。

2）肖特基二極管的弱點

（1）當反向耐壓提高時，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下；

（2）反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限

制其工作溫度。