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第1章电力电子器件

1.1 功率二极管

功率二极管（Power Diode）又称为整流二极管，属于不可控型器件。功率二极管还有许多派生器件，如快恢复二极管、肖特基整流二极管等。

1.1.1 功率二极管及其工作原理

1.元件结构、电气符号和外形

1）元件结构和电气符号。普通功率二极管的内部是由一个面积较大的PN结和两端的电极及引线封装而成的。在PN结的P型端引出的电极称为阳极A（Anode），在N型端引出的电极称为阴极K（Cathode）。功率二极管的等效结构和电气符号如图1-1a、b所示。

2）元件外形。功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形结构，如图1-2a、b所示。一般而言，200A以下的器件多数采用螺栓型，200A以上的器件则多数采用平板型。若将几个功率二极管封装在一起，则组成模块式结构。

图1-1 功率二极管的等效结构和电气符号

a）功率二极管的等效结构 b）功率二极管的电气符号

图1-2 功率二极管的外形

a）螺栓型 b）平板型

2.工作原理

功率二极管的工作原理和普通二极管一样，当受到正向电压作用时，PN结导通，正向管压降很小；当受到反向电压作用时，PN结截止，仅有极小的漏电流流过二极管。

1.1.2 功率二极管的伏安特性

功率二极管的伏安特性是指功率二极管两极间所加的电压与流过电流的关系特性。功率二极管的伏安特性曲线如图1-3所示。

功率二极管的伏安特性曲线位于第Ⅰ象限和第Ⅲ象限内。

图1-3 功率二极管的伏安特性曲线

1）第Ⅰ象限为正向特性区。当所加正向阳极电压小于门坎电压时，二极管只流过很小的正向电流；当正向阳极电压大于门坎电压时，正向电流急剧增加，此时阳极电流的大小完全由外电路决定，二极管呈现低阻态，其管压降大约为0.6V。

2）第Ⅲ象限为反向特性区。当二极管加上反向电压时，开始只有极小的反向漏电流，管子呈现高阻态。随着反向电压的增加，反向电流有所增大。当反向电压增大到一定程度时，漏电流就会急剧增加而使管子被击穿。击穿后的二极管若为开路状态，则管子两端电压为电源电压；若二极管击穿成短路状态，则管子电压将很小，而电流却较大，如图1-3中虚线所示。所以必须对反向电压及电流加以限制，否则二极管将被击穿而损坏。其中U_R0为反向击穿电压。

1.1.3 功率二极管的主要参数

1.正向平均电流I_D（AV）（额定电流）

I_D（AV）是指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期通过的最大工频半波电流的平均值，即额定电流。

2.正向压降U_D（管压降）

U_D是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。

3.反向重复峰值电压U_RRM（额定电压）

在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线的转折处对应的反向电压称为反向不重复峰值电压U_RSM，U_RSM的80%称为反向重复峰值电压U_RRM（额定电压），它是功率二极管能重复施加的反向最高电压。一般在选用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择额定电压。

4.反向恢复时间

反向恢复时间是指功率二极管从正向电流降至零起到恢复反向阻断能力为止的时间。

1.1.4 功率二极管的型号和选择原则

1.功率二极管的型号

国产普通功率二极管的型号规定如下：

2.功率二极管的选择原则

（1）选择正向平均电流I_D（AV）的原则

在规定的室温和冷却条件下，要求所选管子的额定电流I_D（AV）对应的有效值I_DM大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值I_Dm，即I_DM>I_Dm。

所以，首先要根据电路结构确定I_Dm，从而求得I_DM，再由求得I_D（AV），然后取相应标准系列值。

（2）选择额定电压U_RRM的原则

选择功率二极管的反向重复峰值电压（额定电压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向电压U_DM的2～3倍，即：

U_RRM=（2～3）U_DM

式中，U_DM为电路中功率二极管可能承受的最大反向电压。

然后取相应标准系列值。

1.1.5 功率二极管的主要类型

功率二极管在电力电子电路中有着广泛的应用。功率二极管可以在AC/DC变换电路中作为整流元件；也可以在需要释放电感元件电能的电路中作为续流元件；还可以在各种变流电路中作为电压隔离、钳位或保护元件。在应用时，应根据不同场合的不同要求，选择不同类型的功率二极管。下面介绍几种常用的功率二极管。

1.普通功率二极管

普通功率二极管又称为整流二极管，多用于开关频率不高的整流电路中，包括电力牵引、蓄电池充电、电镀、焊接和UPS等。虽然普通功率二极管反向恢复时间较长，但其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。

2.快恢复二极管

快恢复二极管的特点是恢复时间短，尤其是反向恢复时间短，一般在5μs以内，可用于要求很小反向恢复时间的电路中，如用于与可控开关配合的高频电路中。

3.肖特基二极管

以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管。肖特基二极管在信息电子电路中早就得到了应用，但直到20世纪80年代，由于工艺的发展才在电力电子电路中得到广泛应用。

与以PN结为基础的功率二极管相比，肖特基二极管的优点是它具有低导通电压和极短的开关时间，因此其开关损耗和正向导通损耗都比快恢复二极管还要小，效率还要高。

肖特基二极管的缺点是反向漏电流大和阻断电压低。目前，肖特基二极管的电流范围为1A～300A，电压范围为45V～1000V，主要应用于高频、低压电路，如高频仪表和开关电源。