功率二極管主要類型及使用要點(diǎn)

  根據(jù)功率二極管的開關(guān)速度可分為普通整流二極管、快恢復(fù)二極管、超快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。下面分別闡述各自特點(diǎn)和應(yīng)用場合，并導(dǎo)論與IGBT及其他晶體管之間的配合使用問題。關(guān)于功率二極管的結(jié)構(gòu)特性及工作原理可參考相關(guān)文章功率二極管結(jié)構(gòu)與原理與功率二極管特性及參數(shù)。
1普通二極管
普通二極管(General Purpose Diode)又稱整流二極管(Rectifier Diode)，多用于開關(guān)頻率不高(1KHz以下)的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5uS以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要，在參數(shù)表中甚至不列出這一參數(shù)。但其正向電流定額和反向電壓定額卻可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。
2快恢復(fù)二極管
二極管由反向阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)檎�向�(qū)�通的過程稱之為正向恢復(fù)，由正向?qū)�通轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蜃钄嗟倪^程稱之為反向恢復(fù)。由于恢復(fù)時(shí)間特別是反向恢復(fù)時(shí)間的存在，限制了二極管的工作頻率，也增加了二極管的動(dòng)態(tài)損耗，在一些應(yīng)用電路中，還造成電力電于開關(guān)器件承受極大的浪涌電流和浪涌電壓。因此，快速恢復(fù)二極管成為實(shí)現(xiàn)電力電子裝置高頻化的一個(gè)重要器件。
恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5uS以下）的二極管被稱為快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode-FRD），簡稱快速二極管。工藝上多采用了摻金措施，結(jié)構(gòu)上有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，也有的采用對(duì)此加以改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)。特別是采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的所謂的快恢復(fù)外延二極管(Fast Recovery Epitaxial Diodes-FRED)，其反向恢復(fù)時(shí)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1200V以下。不管是什么結(jié)構(gòu)，快恢復(fù)二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20-30ns。
通常把trr較短的恢復(fù)過程稱為硬恢復(fù)，把較長的恢復(fù)過程稱為軟恢復(fù)，并定義反向恢復(fù)特性的軟度(Softness)或快捷度(Snappiness)。
一般二極管trr=2~10uS可用于高頻整流，小于1uS可適配雙極型器件或IGBT應(yīng)用于逆變電路。用外延法制造的二極管trr可小于50ns，被稱為超快恢復(fù)二極管。
3肖特基二極管
以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管(Schottky Barrier Diode-SBD)，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管在信息電子電路中早就得到了應(yīng)用，但直到20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展才得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。與以PN結(jié)為基礎(chǔ)的電力二投管相比，肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)問很短(10-40ns)，正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)�通損耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。
功率二極管使用要點(diǎn)：
1.正向恢復(fù)過程的影響
         1）二極管的正向恢復(fù)過程常常被忽視，在下圖中作為緩沖二極管使用時(shí)，若U_FP過大使VD5不能迅速導(dǎo)通，則緩沖電路失去了作用。 2)由于耐壓較高的二極管比耐壓較低的二極管正向UFP高、TFE也長，因此在低壓高頻整流電路中，盡可能使用低耐壓的二極管，以避免過長正向恢復(fù)過程限制了電路的輸出。
2反向恢復(fù)過程的影響
1)高頻整流電路中，在反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)二極管反向?qū)�通�?huì)造成有負(fù)電壓波形輸出，這使整流輸出電壓平均值下降。例如在工作頻率為20kHz的整流電路中，使用trr為5uS的二極管，則會(huì)使輸出電壓平均值下降約10%。
2)在帶感性負(fù)載的半橋電路中（見下圖），續(xù)流二極管的壓向恢復(fù)電流會(huì)流過剛開通的開關(guān)器件（如IGBT），造成大的反向恢復(fù)浪桶電流。續(xù)流二極管的硬恢復(fù)又會(huì)使與之并聯(lián)的開關(guān)器件承受大的關(guān)斷浪涌電壓。因此應(yīng)選用trr小，又有一定軟度的所謂較快恢復(fù)二極管作高頻開關(guān)的續(xù)流二極管。 3)二極管串聯(lián)使用時(shí)，其反向阻斷時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓基本上取決于反向恢復(fù)特性(Irr、Qrr和trr)的一致性。必須采用各個(gè)二極管并聯(lián)電容器等動(dòng)態(tài)均壓措施，否則因trr小而先恢復(fù)的二管瞬間將承受串聯(lián)總電壓。
4)即使是快恢復(fù)二極管，其恢復(fù)期間造成的功率損耗也不應(yīng)被忽略，在不同電路中損耗大小不同，但計(jì)算二極管總損耗時(shí)都應(yīng)予以考慮。