二极管的选择

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SiBDFi

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VFVRIRVRMIRM

二极管静态特性图1.1

用好功率二极管 众所周知，二极管是电子电路不可或缺的重要器件，功率二极管更是功率电路能否高效、高性能、高可靠工作的重要决定因素。有人对开关电源各器件的损耗作过分析统计，发现功率二极管的功耗在总损耗中占的比例相当大。在一个1KW的高频（200KHZ）低压（5V）输出的开关电源中，效率70％，而功率二极管的损耗却有160W，也就是说，二极管的损耗达到了总损耗的50％以上，因此，降低二极管的损耗往往能显著提高电源效率。开关电源等功率变换电路的性能指标也常常与所用的功率二极管十分有关，不合适的二极管参数不仅会降低电源指标，有时还会严重影响电源可靠性。因此，在功率电子产品的设计中，选好、用好二极管是十分重要的。 要使用好二极管，首先得对二极管有一定了解。还得弄清二极管在电路各种位置中的作用、工作状态、电压、电流的应力情况。这样才能有的放矢地选择，合理地使用。本文想先简单介绍二极管的基本特性及主要参数，再从典型功率电路中二极管的各种使用场合，分析它们的工作状态，提出选用的依据、原则。希望能对功率电路设计师们在选用功率二极管有所帮助。

第一章. 二极管的基本特性及主要参数 一.静态特性 二极管的静态伏安特性曲线如图1.1所示，可以分成以下三部分： 1. 正向特性 二极管两端加上正向电压时,就产生正向电流。但是当这个电压比较小时，由于外部电场不足以克服内部电场对载流子扩散运动所造成的阻力，因此，这时的正向电流仍然很小，二极管呈现的电阻较大。随着两端电压的升高，内部电场被大大削弱，二极管的电阻变得很小，电流很快增长。 这里，有两个二极管的重要静 2

态参数，正向压降VF，正向直流电流IF。二极管規格书中的相关指标为最大正向电压VFM，正向平均整流电流IAV。 2．反向特性 外加反向电压时，由于在P型半导体还存在着少数自由电子，在N型半导体中也还存在着少数空穴，这些少数载流子在反向电压作用下很容易通过PN结，形成反向电流。在外加反向电压一定范围内，反向电流基本不随反向电压变化，图中IR表示的就是反向电流，VR表示所加的反向电压，二极管规格书中的IRM表示的就是最大反向漏电流。IRM也是二极管的重要静态参数，需要注意的是，它对温度较敏感，尤其是肖特基二极管，所以，规格书中列出了两种温度下的IRM。 3．反向击穿 当反向电压增加到一定的值以后，反向电流急剧增大，出现反向击穿现象。这是由于外加的电压强制地把外层电子拉出,使载流子数目急剧上升。此时的电压称为反向击穿电压。规格数中列出的相关指标为VRRM称为反向重复峰值电压，稍小于击穿电压。

二.开关特性 在开关电源等功率变换电路中,除了工频整流器外，功率二极管大都工作在高频开关状态，因此，二极管的动态开关特性就十分重要。其中主要是正向开通特性和反向恢复特性。二极管开关过程中的电压电流波形如图1.2所示。 1. 开通特性 二极管开通时间特性如图1.2 a所示,开通初期出现较高正向峰值电压UFP，随后电压下降,电压达到稳态正向压降的1.1倍(也有人将此值定为2V)的时间,称为二极管正向开通时间TFR。选用工作在开关状态的二极管时，必须注意UFP和TFR这二个参数，因它们决定二极管开通损耗大小，对二极管工作时的温升影响很大。在某些电路中，如果二极管UFP太大，电路甚至不能正常工作。 2．关断特性 二极管正在通过大的正向电流而突加反向电压时，反向阻断能力的恢复过程如图1.2b所示。 在T0瞬时，二极管上施加反向电压，正向电流IF以dif/dt速率减小,dif/dt的大小由反向电压UR和分布电感所决定。 在T1瞬时，二极管电流过零，由于PN结的存储效应，存储电荷消失前，二极管未恢复阻断能力，电流继续以相同速率反向增大，此时，正向压降稍有下降。

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NumberRevisionSizeBDate:13-May-2006Sheet of File:E:\正确选用二极管ddbDrawn By:

UFPUFdi/dtIF

0TFR1.1UFIFUFT0T1T2T3dif/dtIRM

URM

URTRR=T3-T1Q1Q2a. 正向开通特性b. 反向恢复特性图1.2 二极管开关过程中电压电流波形TT 3

在T2时刻，电流达最大反向电流IRM，二极管开始恢复阻断能力，承受反向电压。 T2以后，二极管承受反向电压的能力迅速提高，反向电流迅速下降，下降速率为dir/dt，它通过引线电感会感生较高电压，再加上反向电压UR后形成最大反向电压URM。 在T3时刻,反向电流减小到0.1IRM(有人将此值定为0.25IRM)。 T1到T3的时间TRR称为二极管反向恢复时间。 在高频电路中，工作于开关状态的二极管，它的反向恢复特性对电路性能的影响是很大的。首先，在频率较高的电路中，二极管的TRR必需足够小，否则，即使电路能工作，二极管的损耗也将十分巨大，电路效率会很低。但，如果仅追求TRR小，对于工作在功率开关状态的二极管来说，还是很不够的。我们必需特别关注二极管反向恢复过程中的IRM和dir/dt。 由图1.2b可知,TRR是由T1-T2和T2-T3两部分组成,在T1-T2期间,承受反向电压的二极管,由于存储电荷的作用,电流由零反向增大到IRM，IRM的大小主要由存储电荷数量和正向电流的下降速度即dif/dt决定，在一定的dif/dt 下，IRM越大，T1-T2的时间就会越长，也就是TRR会增大。而且，IRM大也会使二极管高频工作电路中的电流波型上迭加的尖峰增大。 在T2-T3期间，IRM在反向电压作用下，以dir/dt速率迅速减小。这里，我们不希望dir/dt大即T2-T3的时间短，也就是说，虽然从工作频率和损耗的角度要求，TRR要小，而作为TRR组成部分的T2-T3的时间，我们却希望它能长些，即dir/dt要小。平时所说反向恢复特性要软，就是这个意思。dir/dt过大，也就是反向特性太硬的话，由于电路中不可避免地存在的分布电感、电容的影响，会出现强烈振荡，产生噪音和严重的寄生干扰，使电路不能稳定工作，且dir/dt过大，会使Ldir/dt与UR迭加形成的URM过高，在电路中产生电压尖峰，严重时甚至会使二极管损坏。 衡量反向恢复特性的硬软，可有多种方法，国外有些公司用一种称为软度系数的参数来表示二极管反向恢复特性软硬程度,若S为软度系数,它定义为: S=(T3-T2)/(T2-T1) (2-1) 由上式可知，S实际上是二极管反向恢复过程中，两个时间段-反向电流IR从零到IRM的时间和从IRM到0.1(或0.25)IRM的时间之比。S值大，则认为恢复特性较软；S值小，则认为恢复特性较硬。 根据式（2-1），加大（T3-T2）或减小（T2-T1），应该都能增大S。然而，测试二极管反向恢复特性时,通常以一固定的dif/dt(正向电流衰减速率)作为测试条件。这样，S值就由dir/dt决定，确实反映出了恢复特性的硬软。 高频电路中工作的二极管，我们要求它的反向恢复时间TRR要小，越小越好，这是有前提的，就是它的恢复特性要有一定的软度。因此，TRR小的管子，它的IRM一定要小。如果TRR小了，而IRM没小，恢复特性就变硬，这将会对电路产生不良影响。IRM是由二极管工作时内部的存储电荷量决定的。IRM小才能使二极管的开关性能优良。 有时,也可以用URM/UR来表示恢复特性的硬软,URM是反向恢复过程中的最大反向电压，大小由dir/dt和分布电感决定，UR为二极管上所加的反向电压。URM/UR大，恢复特性较硬，显然对电路将产生较大的不良影响。URM/UR小，恢复特性软，二极管的开关过程对工作电路的不良影响将会很小。

三．二极管的损耗 二极管在电路中的损耗P由四部分组成。 P=Pfr+Pf+Prr+Pr 4 123456

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NumberRSizeBDate:8-May-2006Sheet of File:E:\正确选用二极管ddbDrawn By:

CCCCLLabcAC INPUTAC INPUTAC INPUT图2.1DDDRLRLRLIDI

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D

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PfrPf

Prr

Pr

图1.3二极管的损耗

其中Pfr是二极管开通过程中的损耗，Pf是二极管导通时的损耗，Prr是二极管反向恢复过程中的损耗，Pr是二极管承受反向电压时的损耗。 Pf和Pr为静态损耗，工作电流确定后，Pf由VF决定，反向电压确定后，Pr由IR决定，与电路的工作方式关系不大。因而，很容易估算。 Pfr和Prr为开关损耗，在一定的工作频率下，Pfr由Ufp和TFR决定，Prr由IRM和TRR决定，由于是开关损耗，它们与电路的工作频率有直接关系。在高频电路中，二极管的开关损耗会远大于静态损耗。

第二章 整流电路中的二极管 整流是功率转换最基本的电路之一，功能是将交变的电压、电流转换成单一方向的电压、电流。二极管由于它的单向导电性显然是实现整流功能最理想、最有效的器件。整流大至可分为工频(800HZ以下)正弦波整流和高频脉冲整流。

一. 工频整流 由于电路简单，工作频率低，又主要是对正弦波进行整流。二极管一般只需采用廉价的整流二极管。选型时只需注意管子的正向电流和反向电压。然而,在确定所选二极管的正向电流和反向电压时,必需注意外电路状况。因为为了使整流后的脉动直流趋于平滑，二极管后