功率二極管原理與應(yīng)用
1、 功率二極管的基本特性
圖1(a)和圖1(b)所示為功率二極管的電路符號和靜態(tài)伏安特性。我們已經(jīng)知道,當(dāng)二極管處在正向電壓作用下,管子兩端正偏壓很小(約1V左右)時便開始導(dǎo)通;若二極管兩端加以反向電壓時,在被擊穿前僅有極小的可忽略不計的泄漏電流流過器件;正常工作時,加在二極管上的反向電壓應(yīng)小于擊穿限定電壓值。
根據(jù)二極管在阻斷狀態(tài)(反向電壓下)時僅有極小的漏電流和在導(dǎo)通狀態(tài)時管壓降很低的特點,比較其工作過程中的電壓和電流的變化,我們可以得到它的理想伏安特性,如圖1(c)所示。該理想特性可用于換流器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理分析。但是在要求有二極管精確模型的電路分析或?qū)嶋H換流器的設(shè)計中(例如,當(dāng)估算器件的散熱條件時,必須知道管子的正向壓降,盡管該參數(shù)值可能很?。?,常用另一種理想特性表示,如圖2(a)所示,對應(yīng)的等效電路如圖2(b)。圖2(b)中E代表二極管的正向?qū)ㄆ珘?,電阻RD表示正向?qū)〞r的等效電阻。作為基礎(chǔ)性原理介紹,在以后的電路分析中涉及二極管時,我們均采用理想特性圖1(c)進行簡化替代。
由于二極管的導(dǎo)通速度相對電力電路的暫態(tài)變化過程來說要快得多,因此可把二極管看成理想開關(guān)。但是在其關(guān)斷過程中,由于半導(dǎo)體PN結(jié)需要進行反向充電,以便與阻斷電壓相平衡,二極管中的電流會反向流動,并持續(xù)一段時間后才衰減為0,這段時間稱為反向恢復(fù)時間trr,如圖3所示。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致含有電感的電路發(fā)生過電壓,但在多數(shù)工頻整流電路中,它對換流器的換相工作特性影響不大;因此,在二極管關(guān)斷的瞬間仍然可以把它看成是理想開關(guān)。
按照實際應(yīng)用的要求,可選擇以下不同類型的功率二極管。{{分頁}}
?。?)肖特基二極管。與常用的PN結(jié)整流二極管不同,它是單極性二極管,因此不受充電過程和反向恢復(fù)時間trr(一般略為幾十納秒)的影響。從器件結(jié)構(gòu)而言,在降低正向管壓降和增大反向漏電流間取其折中結(jié)果,它適用于較低輸出電壓和要求有較低正向管壓降(典型值為0.3V)的換流器電路。這種二極管的反向阻斷電壓水平在50~100V之間。
?。?)快速恢復(fù)二極管。用于與可控開關(guān)配合的高頻電路中。這些電路要求很小的反向恢復(fù)時間,例如,在數(shù)百伏電壓和上百安培電流條件下,其trr應(yīng)小于幾個微秒。
?。?)工頻二極管。其導(dǎo)通態(tài)正向壓降很低,但反向恢復(fù)時間較長,這在工頻電路中是可以接受的,它適用于反向阻斷電壓數(shù)千伏和工作電流數(shù)千安的大容量換流器。從理論上講,可通過這種二極管的串、并聯(lián)滿足任意電壓和電流數(shù)值的要求。
2、 二極管的基本應(yīng)用。
(1)整流 利用二極管正偏時導(dǎo)通、反偏時截止的不對稱非線性特性(見圖1b)實現(xiàn)整流變換,如圖4(a)所示,這是二極管最基本的應(yīng)用。
(2)續(xù)流 用做續(xù)流二極管,如圖4(b)所示。當(dāng)開關(guān)S切斷電感電路時,為防止電感產(chǎn)生很高的反電動勢e=L
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