电力二极管课件

第一章电力电子器件基础1.3电力二极管二极管就是一个PN结，在半导体上利用掺杂工艺形成PN结，平衡状态的PN结通常由P区、N区和中间的空间电荷区(也称为势垒区、阻挡层或耗尽层)组成。功率二极管与信息电子电路的二极管不同，为提高反向耐压性，掺杂浓度要低于普通二极管，采取P-i-N结构(PN-N)，在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，N层越厚，反向耐压就越高，因此电力二极管工作电压在1V左右。同时为提高通电流能力，采用垂直导电结构，而不是信息电子电路中的横向导电结构。因空穴和电子是可移动的载流子，而正负离子是不可移动的。因此二极管的电流是由空穴和电子的运动形成的。半导体的电导率为，γ为电导率，ρ为电阻率，n为电子的密度，p为空穴的密度;μn和μp分别为电子和空穴的迁移率。由于空穴的运动本质是束缚电子的运动，与自由电子的运动在难易程度上不可能完全一样，因而半导体的μn和μp不相等，通常μn大于μp。在P型半导体很薄的情况下，如电力二极管，通常P区为10μm厚，而N区在250μm以上。电导率主要由N型半导体决定，此时γ≈qnμn。PN结通常有两种显著的效应，即PN结的电容效应和电导调制效应。电力二极管(功率二极管)的电压、电流等级都比较高，通常分为螺栓型(见图1-13(a))和平板型(见图1-13(b))。电流等级的大小与PN结的面积成正比，因此平板型的电流等级要大于螺栓型的。1-13电力二极管1.3.1电力二极管基本特性1.静态特性如图1-14(a)和1-14(b)所示为电力二极管的电路符号和静态伏安特性。当二极管处在正向电压作用下，当正向电压高于开启电压时，二极管开始导通，此时电流比较小，呈指数规律增加。当正向电压进一步提高时，二极吸管电流以非常陡的斜线规律增大，此时二极管完全导通，工作电压降在1V左右。若二极管两端加以反向电压时，在被击穿前仅有极小的可忽略不计的漂移电流或称漏电流流过器1牛;因此正常工作时，加在二极管上的反向电压应小于击穿限定电压值。因此根据二极管正向导通电压低，反向漏电流小的特点，实际分析时可采用理想伏安特性，如图1-14(c)所示。该理想特性可用于变流器的基本结构和工作原理分析。图1-14电力二极管的基本特性2.动态特性通常在多数整流场合由于二极管的导通速度相对电力电路的暂态变化过程来说要快得多，因此可把二极管看成理想开关。但在高频时或大电流通断的场合，二极管的动态特性显得非常重要。1)电力二极管的开通过程在电力二极管从断态到稳定导通状态的过渡过程中，其正向电压会随着电流的上升首先出现一个过冲，然后才逐渐趋于稳定，如图1-15(a)所示。电压过冲的主要机制有两个，一个是阻性机制，一个是感性机制。①阻性机制是指少数载流子注入的电导调制效应。在导通初期，二极管的电阻主要是低掺杂N区的欧姆电阻，阻值较高且为常量，因而管压降随着电流的上升而升高，但电流上升到一定数值时，注入并积累在低掺杂N区的少数载流子空穴不断增加，使其电阻率明显下降，这就是电导调制效应。电导调制效应使N区的有效电阻随着正向电流的上升而下降，管压降随之降低，从而形成峰值UFP。②感性机制是由器件内部电感形成的。器件内部电感由硅片电感和电极连接件电感两部分组成。峰值UFP必是电流上升率di/dt的函数，di/dt越大，UFP越高。UFP的阻性分量只在di/dt较小时才起主要作用。图1-15(a)中的tfr称为正向恢复时间，定义为正向电压从零经极大值UFP降至接近稳态压降的某个瞬时值(通常定为2V)所需要的时间。结温升高会使导通过程的瞬态特性变坏，tfr和UFP都会增大。2)二极管的关断过程主要由外部线路及引线电感产生，其电压玉、电流波形如图1-15(b)所示。在关断过程中，由于PN结需反向充电，与阻断电压相平衡，二极管的电流会反向流动，持续一段时间才衰减为0。由于存在正向导通时在对方区域因扩散而积累的少子在反向电压下会形成一个较大的反向恢复电流，这段时间称为反向恢灰复时间t，进而导致含有线路电感的电路发生过电压，在不同时段如图1-15(c)、(d)所示。图1-15电力二极管动态特性根据反向恢复时间trr的大小，二极管又可分为普通整流二极管(trr>5μs，反向阻断电压数千伏和工作电流数千安)、快速恢复二极管(trr=几十或几百ns，一般<5μs二极管的反向阻断电压水平在几百伏左右和肖特基二极管(trr=10~40ns,反向阻断电压水平在50~100V之间)。由于二极管是双极型器件，空穴和电子两种载流子参与导电，由于少子的累积效应和扩散电容等因素的影响，电流等级越大，二极管的开通关断时间越长。3.电力二极管与信息电路中的普通二极管的区别正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高