1.1 不可控型器件——电力二极管

1.1.1 电力二极管的结构

电力二极管从结构上看是一个面积较大的PN结构成的二端半导体器件。因此，它与普通二极管一样具有PN结的基本特性。

从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋型，200A以上则采用平板型。多个电力二极管以一定结构形式封装在一起而成为模块结构。

图1-1-2为电力二极管的外形、结构和电气图形符号及模块外形。

1.1.2 电力二极管的基本特性

1.电力二极管的伏安特性（静态特性）

电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK与阳极电流IA之间的关系称为伏安特性，如图1-1-3所示。第Ⅰ象限为正向特性区，表现为正向导通状态；第Ⅲ象限为反向特性区，表现为反向阻断状态。

当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO）时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向平均电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

2.电力二极管的开通、关断特性（动态特性）

因结电容的存在，开关状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压-电流特性是随时间变化的，因此电力二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。

1）电力二极管的开通过程

电力二极管的开通需要一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，经过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图1-1-4为电力二极管的正向恢复特性曲线。由图1-1-4可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的电力二极管上承受的峰值电压UFP比稳态管压降高得多，在有些二极管中的峰值电压可达几十伏。

2）电力二极管的关断过程

电力二极管关断时须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。其反向恢复过程中的电流和电压波形如图1-1-5所示。

电力二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑电力二极管的开通、关断等动态过程。

1.1.3 电力二极管的主要参数

1.正向平均电流（额定电流）IF（AV）

正向平均电流是指在规定+40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，允许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。将此电流整化到等于或小于规定的电流等级，则为该二极管的额定电流。在选用大功率二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF（AV）的有效值为1.57IDM其中IDM为电力二极管所流过的最大有效值电流。

2.反向重复峰值电压（额定电压）URRM

在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第Ⅲ象限）急剧拐弯处所对应的反向峰值电压，称为反向不重复峰值电压URSM。反向不重复峰值电压值的80%称为反向重复峰值电压URRM。再将URRM整化到等于或小于该值的电压等级，即为元件的额定电压。

3.反向漏电流IRR

对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流，称为反向重复平均电流IRR。

4.正向压降UF

在规定的+40℃环境温度和标准的散热条件下，元件通过工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时又称为管压降。元件发热和损耗与UF有关，一般应选用管压降小的元件以降低元件的导通损耗。

5.最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。

TJM通常在125～175℃范围内。

6.反向恢复时间trr

trr=td+tf，在关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。

7.大功率二极管的型号

普通型大功率二极管的型号用ZP表示，其中，Z代表整流特性，P为普通型。普通型大功率二极管型号可表示如下：

ZP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]

如型号为ZP50—16的大功率二极管表示：普通型大功率二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。

1.1.4 电力二极管的主要类型

在实际应用时，应根据不同场合的不同要求，选择在正向压降、反向耐压、反向漏电流、反向恢复特性等方面符合要求的电力二极管。

性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。

1.普通二极管（General Purpose Diode）

普通二极管又称为整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高（1kHz 以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长（反向恢复时间为2～5μs，这在开关频率不高时并不重要），但其正向额定电流和反向额定电压却可以达到很高，分别可达数千安和数千伏。

2.快速恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）

恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5μs以下）的二极管称为快速恢复二极管，简称快速二极管，在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下，从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20～30ns。快速二极管的正向恢复特性，如图1-1-6所示。

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（Schottky Barrier Diode，SBD），简称肖特基二极管。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年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。

1）肖特基二极管的优点

（1）反向恢复时间很短（10～40ns）；

（2）在正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；

（3）在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快速恢复二极管；

（4）其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

2）肖特基二极管的弱点

（1）当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；

（2）反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限

制其工作温度。