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功率二极管原理与应用

1、  功率二极管的基本特性

1a)和图1(b)所示为功率二极管的电路符号和静态伏安特性。我们已经知道,当二极管处在正向电压作用下,管子两端正偏压很小(1V左右)时便开始导通;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泄漏电流流过器件;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。

    根据二极管在阻断状态(反向电压下)时仅有极小的漏电流和在导通状态时管压降很低的特点,比较其工作过程中的电压和电流的变化,我们可以得到它的理想伏安特性,如图1c)所示。该理想特性可用于换流器的基本结构和工作原理分析。但是在要求有二极管精确模型的电路分析或实际换流器的设计中(例如,当估算器件的散热条件时,必须知道管子的正向压降,尽管该参数值可能很小),常用另一种理想特性表示,如图2(a)所示,对应的等效电路如图2(b)。图2(b)E代表二极管的正向导通偏压,电阻RD表示正向导通时的等效电阻。作为基础性原理介绍,在以后的电路分析中涉及二极管时,我们均采用理想特性图1c)进行简化替代。

    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。但是在其关断过程中,由于半导体PN结需要进行反向充电,以便与阻断电压相平衡,二极管中的电流会反向流动,并持续一段时间后才衰减为0,这段时间称为反向恢复时间trr,如图3所示。这种现象可能导致含有电感的电路发生过电压,但在多数工频整流电路中,它对换流器的换相工作特性影响不大;因此,在二极管关断的瞬间仍然可以把它看成是理想开关。

按照实际应用的要求,可选择以下不同类型的功率二极管。

(1)     基二极管。与常用的PN结整流二极管不同,它是单极性二极管,因此不受充电过程和反向恢复时间trr(一般略为几十纳秒)的影响。从器件结构而言,在降低正向管压降和增大反向漏电流间取其折中结果,它适用于较低输出电压和要求有较低正向管压降(典型值为0.3V)的换流器电路。这种二极管的反向阻断电压水平在50~100V之间。

(2)     快速恢复二极管。用于与可控开关配合的高频电路中。这些电路要求很小的反向恢复时间,例如,在数百伏电压和上百安培电流条件下,其trr应小于几个微秒。

(3)       工频二极管。其导通态正向压降很低,但反向恢复时间较长,这在工频电路中是可以接受的,它适用于反向阻断电压数千伏和工作电流数千安的大容量换流器。从理论上讲,可通过这种二极管的串、并联满足任意电压和电流数值的要求。

2、  二极管的基本应用。

(1)           整流  利用二极管正偏时导通、反偏时截止的不对称非线性特性(见图1b)实现整流变换,如图4(a)所示,这是二极管基本的应用。

(2)             续流  用做续流二极管,如图4(b)所示。当开关S切断电感电路时,为防止电感产生很高的反电动势e=L·di/dt,而损坏设备,接入一个二极管D,使电感电流有一个继续流动的回路,使开关管S在关断时其两端电压不超过电源电压US,避免了因电感断流而在开关器件两端出现高压。

(3)             限幅  当输入信号电压US变化范围很大时,为了使信号电压的幅值能够限制在某个范围之内,可采用如图4(c)所示的二极管限幅电路。设二极管阈值电压为Uth,当US<Uth时,二极管截止不导通,信号全部输出,UO=US;当US>Uth时,二极管导通,二极管电压被限制为正向导通电压。一个硅管约为0.7V,一个锗管约0.3V。几个二极管串联可得到不同的限幅值。

(4)             钳位  4(d)中负载电阻RL改变时,只要二极管D处于正偏导通状态;则输出端电压UO将等于电源电压UG加二极管正向电压降UFUO=UG+UF而与负载无关。即UO被钳位到UG+UF。当然要保持二极管总是处于正偏导通状态,RL不能过小,RL小时流过R上的电流过大、R上的电压降太大以致(E-R·I<UG时,二极管反偏截止UO将随RL的改变而改变,钳位电路失去作用。

(5)           稳压  稳压管(符号为图4(e)中的DZ)也是一种半导体二极管。这种二极管的正常工作区是在反向击穿区,如图1(b)中第三限区。二极管反向击穿后反向电流改变时,其反向端电压基本不变。因此图4(e)中当电源电压US改变时,通过稳压管的反向电流改变,使串联电阻R上的压降改变,而使负载电压UO基本不变。这种简单的稳压电路应用也很广泛。