2024年3月21日发(作者：)
知识讲座》》》 ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１ ５６３－４７９５．２０１１．０５．Ｏｌ ４ 【编者按】电力电子器件是半导体功率器件的总称，是构成电力电子设备的基础，是从事电力电子 器件设计、研发、生产、营销和应用人员以及电源技术工作者应该熟悉的内容。本－７－１ｊ从今年４月份 黎开始以“电力电子器件知识”为题开展讲座，以满足广大读者增长知识和用好这些器件的需求。 囊欢迎厂家及用户的工程师们撰稿，并望提出宝贵意见。 瀵鬣蠢 强｜ 鼹澎｜矮甍鬻鬻稀戮灏蕊 舔 ｜饕 警蕊器驽｜誊 ｇ蹬臻 譬｜ 强曩｜ ００ ｉ ｌｌ 蠹 咆 咆 画律 谢磨（二Ｊ 快速功率二极管 武汉雷升电子公司 乔恩明（供稿） 本刊编辑部 张乃国（改编） 二极管是一种由ＰＮ结构成的两端器件。功率 流至Ｋ ｆＮ）；当二极管￣［ＩＰＮ结接上反向电压（简称 反偏）时，Ａ（Ｐ）接电源负端，Ｋ（Ｎ）接电源正 端，二极管不导电（简称截止或阻断）。 （１）正向接法 二极管的正向接法见图１（ｂ），ＰＮ结外加电压 所产生的外电场ＥＣ与内电场Ｅｉ方向相反，因此ＰＮ 二极管是一种ＰＮ结面积比较大的二极管（一般指 电流容量在１Ａ以上的二极管１，多用硅材料做成。 它分为低频功率二极管和高频功率二极管。低频 功率二极管主要用于５０Ｈｚ电源整流，高频功率二 极管主要用于高频整流电路、传递无功功率的续 流电路和功率开关的缓冲电路。目前比较成熟的 产品有ＰＮ型、ＰＩＮ型快速恢复二极管和功率肖特基 二极管。 结的内电场被削弱。其ＰＮ结等效正向电阻很小， 管子两端正向电压降仅约１Ｖ左右ｆ大电流硅半导 体电力二极管超过１Ｖ，小电流硅二极管仅０．７Ｖ， 锗二极管约０．３Ｖ１。这时的二极管在电路中相当于 个处于导通状态ｆ通态１的开关。 （２）反向接法 二极管的反向接法见图１ ｆｅ），ＰＮ结外加电压 １快速功率二极管工作原理 １．１结构与工作原理 一二极管的核心是ＰＮ结，ＰＮ结最基本的特性是 所产生的外电场 与原内电场Ｅ方向相同。外电场 使原内电场更增强，其ＰＮ结等效正向电阻很大， 因此反偏时二极管电流极小。这个电流称为二极 管的反向电流，也称为反向饱和电流厶。 １．２特性与参数 ｆ１）静态特性 单向导电性。因此二极管最适于做成将交流电变 为直流电的整流二极管。二极管的图形符号如图１ ｆａ）所示，ＰＮ结的Ｐ端引线称为阳极Ａ，ＰＮ结的Ｎ端 引线称为阴极Ｋ。当二极管ｆ即ＰＮ结）接上正向电 压ｆ简称正偏）时，即阳极Ａ（Ｐ）接电源正端，阴 极Ｋ（Ｎ）接电源负端，二极管导电，电流从Ａ（Ｐ） 收稿日期：２０１１－０３—０６ 理想的二极管静态伏安特性曲线如图２中的曲
硎 腿 略，在电力电子变换器中半导体电力开关器件的 功耗、发热及散热都是需要妥善处理的问题。 （３１二极管的电路图形符号 普通二极管在电路中常用字母“ＶＤ”加数字 表示，如ＶＤ 表示编号为５的二极管，稳压二极管 在电路图中用字母“ＶＳ”表示。二极管在电路图 中的图形符号如图５所示。 且正向压降相当小（＜０．５Ｖ），因此在大电流、低电 压的电力电子变换系统中应是首选器件。 半导体电力二极管属于功率最大的半导体器 件。其最大额定电压在６ｋＶ、电流６ｋＡ以上。当然 额定电压最高的二极管，其额定电流不一定最高， 反之亦然。 ２．２二极管应用电路 ２快速二极管的选择与应用 ２．１二极管的选择 二极管主要应用在以下场合：①整流、检波、 隔离、保护和限幅等，此时不给二极管加正向偏 置电压；②简易的稳压、温度补偿、偏置等，此 时要给二极管加正向偏置电压。 ｆ１１二极管整流电路 开关稳压电源整流电路及脉冲整流电路中使 用的整流二极管，应选用工作频率较高、反向恢 复时间较短的整流二极管ｆ如ＲＵ系列、ＥＵ系列、 Ｖ系列等）或快速恢复二极管。 在低压ｆ２００Ｖ以下）大电流（５００Ａ以下）的开 关电路应用中，肖特基二极管是十分理想的开关 器件。它不仅开关特性好，允许工作频率高，而 二极管整流电路就是利用二极管单向导电的 特性，将交流电变换为脉冲直流电的电路。 ①二极管桥式整流电路 二极管桥式整流电路由变压器和４个同型号的 二极管接成电桥形式而组成。如图６所示，图中Ｔ 电流方向 ——． －｛◆一匹＝卜 Ｖ。Ｈ 奉 日符号 旧符号 ’ ——旧电路符号 恒流二极管电路图形符号 旧符号 牛丰 奉 奉 ’ 普通二极管电路图形符号 稳压二极管电路图形符号 ＋ 变容二极管电路图形符号 幸 牛 旧符号 肖特基二极管电路图形符号 旧符号 双向触发二极管电路图形符号 Ｉ Ｆｑ￣ ａＰ＝ …Ｊ图５二极管在电路图中的图形符号 八 ：八 … Ｍ ’● －＿＿＿－Ｉ＿～ ｆａ）桥式整流电路 导通导通导通导通 （ｂ）桥式整流电路简化图 （ｃ）简化桥式整流电路波形图 图６二极管桥式整流电路
刘 岍 是变压器．其作用是将电网上的交流电压 。变为整 流电路要求的交流电压 ：，Ｒ 是要求直流供电的负 载电阻。 Ｔ 二极管桥式整流电路中的电流路径如图７所 及两个电容器Ｇ。、ｃ２组成。其工作原理为：Ｕ２为正 半周时，ＶＤ。导通，ＶＤ：截止。在理想情况下，电 容Ｃ『 的电压充到、／２ Ｕ２；Ｕ２为负半周时，ＶＤ 导通、 ＶＤ 截止。在理想情况下，电容Ｃ２的电压充到、／２ ，示。 ＶＤ 所以，负载上的电压为２、／ 一 。，它的值是变 压器二次绕组输出电压的两倍，所以叫做二倍压 整流电路。在实际电路中，负载上的电压 。＝２ｘ １．２ ２。 ｆ３１二极管开关电路 由于二极管具有单向导电特性。电流只能从 Ｖ 阳极流向阴极，而不能从阴极流向阳极。因此当 电流由阳极流向阴极时，二极管呈导通状态，没 图８二倍压整流电路的典型应用电路 桥式整流中负载所获得的直流电压为／．ｔｏ＝２× ０．４５ｕ２＝０．９ｕ ，流过负载尺止的直流电流为： ｆ Ｔ一——————————————一有电阻，对电流的流通毫无阻碍；反之，当电流 企图从阴极流向阳极时，二极管呈断路状态，如 ２、／２ ２ ０．９ｕ２ 一——’————一 同一只断开的开关，使电流无法流通。因而，可 以将二极管作为一种特殊的开关器件，组成各种 逻辑电路，应用在各种需要自动开关控制的电路 中。 积Ｌ Ｌ 流过二极管的平均电流为： 一 一ｘ／２ ２０．４５ｕ２ —一一＿ ■一百Ｃ，ＲＭ＝、／２ ｕ２。 图９所示是二极管作为开关应用时的典型电 路。 图９中，二极管ＶＤ 为防止电源极性接反的电 子开关。当电源极性接反时，二极管不导通，电 二极管所承受的最大反向电压为： ｆ２）二极管倍压整流电路 顾名思义． “倍压整流”就是把较低的交流 压不能加到后面的稳压电路中，保护后面的稳压 电路不会因电源电压极性接反而损坏：当电压极 性正确时，二极管导通，电源电压正常进入后级 电路。 电压用耐压较低的整流二极管和电容器， “整” 出一个较高的直流电压。在对电源质量要求不是 很高且功率要求也不是很大的地方，常使用倍压 整流电路。倍压整流电路一般按输出电压是输入 电压的多少倍。分为二倍压、三倍压与多倍压整 流电路。图８所示的是一个二倍压整流的典型应用 电路。 二极管ＶＤ 的作用是用来防止在输入端电源断 开时，电容器Ｃ 中存储的能量从稳压器输出端向稳 压器放电而导致稳压器损坏。在输入端有电压输 入时，二极ＶＤ 管截止，对电路正常工作无影响； 二倍压整流电路由变压器Ｔ、两个整流二极管 当输入端电压断开时，二极管导通，将电容器Ｃ，中 （ａ）正半周电流回路 （ｂ）负半周电流回路 图７二极管桥式整流电路中的电流路径
ＶＤ１、ＶＤ２、ＶＤ，：ＩＮ４００４ ：；＝；＝＝ ● 一 。ｕ 凡 ０ｕ１— ．ＩＮ’ ● ●■。’。一’ｒ吖 ’ 图９二极管作为开关应用时的典型电路 的电荷泄放掉，保护稳压集成电路不会因电流倒 灌而损坏。 二极管ＶＤ 的作用是输出端短路保护二极管。 在负载正常时，二极管ＶＤ，截止，对电路正常工作 无影响；当负载短路时， 中的电荷将向稳压器调 整端ＡＤＪ放电，并使内部的调整管发射结反偏。此 时导通，用来为Ｃ 提供放电通路，起保护稳压器的 作用 ｆ４１二极管续流电路 续流二极管在开关电源的电感中和继电器等 感性负载中起续流作用。 二极管续流电路如图１０所示。 图１０二极管续流电路 大家知道，流经线圈的电流变化时，线圈会 产生自激电压来抑制电流的变化，当线圈中的电 流变化越快时，所产生的电压越高。 图１０中，二极管ＶＤ：是续流二极管。在三极管 ＶＴ 导通时，继电器得电吸合，此时二极管ＶＤ 因 为两端加的是反向偏压而截止．不影响电路工作。 刘 当三极管ＶＴ 由导通变为截止时，流经继电器线圈 的电流将迅速减小。这时继电器的线圈上就会感 生出一个较大的自感电压，它因与电源电压方向 相同而叠加，然后加在三极管的集电极、发射极 两极间，故很可能击穿三极管。而这个自感电压 与电源电压之和对二极管ＶＤ２来说却是正向偏压， 使此二极管导通，形成环流，将继电器线圈上产 生的感应电动势短路掉，使加到三极管ＶＴ 上的 电压基本上还是电源电压，保证了三极管的安 全。续流二极管的最高反向工作电压应为电源电 压的１Ｏ倍。安装续流二极管时一定要注意二极管 的极性不可接反，否则容易损坏三极管等驱动元 器件。 ｆ５１二极管隔离电路 由于二极管具有单向导电性．电流只能从正 极流向负极，而不能从负极流向正极，因此在有 些电路中通常用二极管对电路中的两部分电路进 行隔离。 图ｌ１所示电路是二极管作为隔离二极管的典 型应用电路。 交流适配器 １０ＶＡＣ 插座 话 图ｌｌ二极管作为隔离二极管的典型应用电路 在图１１所示电路中．当交流适配器正常输出 １０Ｖ交流电压时，该１０Ｖ交流电压经过由４个二极管 组成的整流桥整流后输出１４Ｖ左右的直流电压。该 电压加在二极管ＶＤ，的负极，使此二极管的负极电 压高于正极电压ｆ１２Ｖ），二极管截止，负载通过交 流适配器直接供电，此时交流适配器输出的电压 还通过一个１００ｇ￣的电阻对１２Ｖ蓄电池进行充电。 当交流适配器不能输出１０Ｖ交流电压时ｆ如市电停 电时１．二极管的负极电压消失。由于二极管正极 电压一直为＋１２Ｖ．二极管导通，后 （下转第５８页）
刈 Ｈ８／３０６９Ｆ 立： １６ （ＵＷＩＰＥＲ－０．２０４）／ＲＡ＝（０．２０４一，ＩＥ １５／ ／ Ｔ — ＲＢ Ｌ。ｕｔ 若选取Ｒ ＝２５．５ｋ１＂１，抽头在顶部位置 时，ＵｗＩ￣＝５Ｖ，Ｎ＝６３， ＝０，则 值 ｏ．１ ｕＦ上 基 ．．．． ．．．．．． １３ 丁 Ｌ ． ．．．．．一６．３Ｖ ． — ．５Ｖ模拟 ‘ 、Ｎ 一一一 ＤＧ 一 ～ ９Ｋ １２ ， ＲＢ＝２５．５ｘ０．２０４／（５ｘ０．２０４）＝１．０８５（ｋＱ） Ｖ模拟 －６ ．３Ｖ —ＲＢ可以选择标准的１．０７ｋＯ（１％系列） 砒～ 眦 一 ～ ｝＿Ｌ —一 一 一 ————・－・－－－－－・－—－－ｎ Ｔ Ｌ Ｒｏｕｔ — 或１．１ｋ （５％系列）。 当滑动片在底部位置时， 眦 ＝ＯＶ， 上Ｉｔ￣＝２００ｍＡ１ｏ，—丽而 Ｖ Ｒ ＼、 Ａ ‘ 上，ＲＳＥＮＳＥ值为 ＤＧ．Ａ・Ｇ‘ ＲｓＥ ＝［０．２０４＋０．２０４ ｘ（１．０８５／２５．５］／ 图８ ＰＧＡ２３１１用于音响设备的实际电路 ０．２＝１．０６３（Ｑ） Ｒ 跖可从１％系列中选择１．０７１１的电阻。 为ＩＣ 提供偏置。 ＬＥＤ电流在感测电阻ＲＳＥＮＳＥ上产生一个２０４ｍＹ的 设定值电压。ＩＣ 滑动片设置Ｎ＝０—６３，滑动片上的 随着电位器抽头位置的增加，ＬＥＤ电流将从 ２００ｍＡ降为零，线性误差不大于８％。囹 电压为ＵＭｐＦ．Ｒ，￣－（５Ｖ／６３）Ｎ。根据图ｌ０，下面等式成 ｌ２Ｖ ５Ｖ ＲＨ— Ｖ ＩＮ ＯＵＴ ＵＣ ＩＣ１ ＩＸ； ＤＳｌ８６９ Ｄ ＲＷ ＩＣ２ Ｖ５ ＬＥＤ ＭＡＸ１６８００ ＥＮ ＣＳ— Ｆ ＧＮＤ ＣＳ＋ ＲｓＥＮｓＥ 图９采用数字电位器ＤＳ１８６９来调节ＬＥＤ亮度的电路 （上接第５２页） 面的负载通过蓄电池继续供电。在此电路中，二 极管的作用就是将蓄电池在交流适配器正常输出 电压时与负载电路隔离开，延长蓄电池的寿命。 向阻断能力的二极管上， 很可能损坏二极管。通常 在二极管两端并联一个简 （６）二极管缓冲与保护电路 功率二极管ＲＣ缓冲电路如图ｌ２所示。图中功 单的ＲＣ缓冲电路保护二极 管。电容Ｃ用以减小开关 率二极管从通态转到断态，在正向电流降为零而 两端的反向电压芈，Ｒ用 反向阻断能力尚未恢复期间，载流子反向恢复过 程中会流过反向电流 ，ｉＲ上升到峰值后会迅速下 Ⅲ 以抑制Ｌ、Ｃ电路振荡，并 降，这时既使线路上的杂散电感￡很小，也会产生 很大的感应电动势作为反向电压加到正在恢复反 减小电容Ｃ经ＶＤ放电时的 放电电流。圈 图ｌ２功率二极管 ＲＣ缓冲电路
