全面解读功率二极管的结构、参数、类型、应用等

功率二极管又称为电力二极管，它在电子电路中起着至关重要的作用。它可用作转换器电路、稳压电路、反激/续流二极管和反向电压保护中的整流器。这些二极管与信号二极管相关，但结构略有不同。信号二极管中的P层和N层的掺杂水平相同，而在功率二极管中，可以在重掺杂的P+层和轻掺杂的N-层之间形成结。

功率二极管结构

功率二极管的结构包括三层，例如P+层、n-层和n+层。这里的最外层是P+层，是重掺杂的。中间层是n-层，轻掺杂，最后一层是n+层，重掺杂。

这里p+层充当阳极，该层的厚度为10μm，掺杂水平为10 ¹⁹ cm ^-3。

n+层作为阴极，该层厚度为250-300μm，掺杂浓度为10 ¹⁹ cm ^-3。

n-层充当中间/漂移层，该层的厚度主要取决于击穿电压和掺杂水平：10 ¹⁴ cm ^-3。一旦层宽增加，击穿电压就会增加。

功率二极管的基本参数特性

1. 静态电压-电流特性

功率二极管具有单向导电性。

正向偏置时：二极管导通，通态压降约1V。

当反向偏置时：

在达到击穿电压之前，只有很小的反向漏电流流过。

达到击穿电压后，反向电流急剧增加。

2.功率二极管的动态特性

由于结电容的存在，导通和截止状态的转变必须有一个转变过程，并且这个过程中的电压电流特性随时间而变化。动态特性（开关特性）反映了通态和断态之间的过渡过程。

注：功率二极管的开通时间很短，一般可以忽略不计，但二极管的关断过程比较复杂，对电路的影响也不容忽视。

关断过程：处于导通状态的二极管经过短暂的反向恢复过程后关断进入关断状态；在恢复过程中，出现较大的反向电流，并伴有明显的反向电压过冲，如图所示。

延迟时间：td=t1-t0

电流下降时间：tf= t2- t1

反向恢复时间：trr=td+tf

恢复特性的软度：下降时间与延迟时间tf/td的比值，或称恢复系数，用Sr表示。

关断损耗：一个开关周期内因关断而产生的损耗： 

正向偏置转换为反向偏置，其中： T 是开关周期

导通过程：功率二极管的正向压降首先出现过冲UFP，经过一段时间后，趋于接近稳态压降的某一值（如2V）。这个动态过程时间称为正向恢复时间tfr，开通过程中电压和电流的乘积就形成了开通损耗：

其中： T 是开关周期

零偏差转换为转发偏差

注意：二极管有一个开通和关断的过程，需要一定的时间。在此动态过程中，二极管的单向导电性并不典型。当动态时间接近由工作频率决定的开关周期时，二极管无法正常整流，损耗很大。

功率二极管如何工作？

功率二极管的工作原理与普通PN结二极管类似。当阳极端电压高于阴极端电压时，二极管导通。该二极管的正向压降范围很小，约为0.5V – 1.2V。在此模式下，二极管以正向特性工作。

如果阴极电压高于阳极电压，则二极管执行阻断模式。在此模式下，二极管的行为类似于反向特性。

功率二极管的主要类型

功率二极管可以根据反向恢复时间、制造工艺以及反向偏置条件下耗尽区的穿透程度进行分类。

功率二极管根据反向恢复时间和制造工艺分为三种：

1. 通用二极管

它又称整流二极管，多用于开关频率较低（1kHz以下）的整流电路中，其反向恢复时间较长，一般在5s以上。当开关频率不高时，正向电流额定值和反向电压额定值可能非常高，分别达到数千安培和数千伏。

2. 快恢复二极管（FRD）

从性能上看，可分为快恢复二极管和超快恢复二极管两个级别。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则小于100ns，甚至20~30ns。

分为PN结结构和PIN结构。采用外延PIN结构的快恢复外延二极管（FRED）具有较短的反向恢复时间（小于50ns）和很低的正向压降（约0.9V），但其反向耐压大多在1200V以下。

3.肖特基二极管

基于金属与半导体接触形成势垒的肖特基二极管称为肖特基势垒二极管（SBD），简称肖特基二极管，在电路中得到广泛应用。

功率二极管根据耗尽区穿透反向偏压的情况分为两种：

1. 穿通二极管

击穿时耗尽区宽度进入n+层的二极管称为穿通二极管。

2. 非穿通二极管

击穿时耗尽区的宽度不穿过相邻n+层的二极管通常被称为非穿通二极管。

在这种模式下，漂移区的宽度大于耗尽区的最高宽度，因此耗尽区无法进入相邻的n+层。

功率二极管的优点和缺点

1、PN结面积很大，可以提供很大的电流，但这个结的电容也可以很大。当它工作在较低频率时，一般只用于整流。

2.能解析大电流、高电压的交流电。

3. 主要缺点是其尺寸，并且在传导高电流时可能需要固定到散热器上。

4. 需要特殊硬件来安装并与周围可用的金属框架绝缘。

功率二极管应用 

1. 该二极管提供不受控的电源整流。

2. 用于直流电源、电池充电、逆变器、交流整流器等不同应用。

3、由于具有耐压、大电流等特性，用作缓冲网络和续流二极管。

4.用作反馈、续流二极管、高压整流器。

5. 在反向击穿情况下，当该二极管的电流和电压较大时，功耗会很高，因此可能会损坏器件。