在現代電力電子領域，功率二極管作為一種基礎且關鍵的組件，扮演著至關重要的角色。它們不僅在各種電力轉換和控制系統中發揮作用，還在確保高效能和穩定性能方面起著決定性的作用。

在本文中，我們將深入探討功率二極管器件及其特性(如i-v特性和關斷特性)，以及它們如何作為電力器件工作。即在電力電子電路中，這些開關如何在飽和區域工作，并在模擬電路(如功率放大器和線性調節器)中在線性區域工作，這可以使這些開關非常高效，因為在電源處理過程中損失較少。

功率二極管

功率二極管具有P-I-N結構，而信號二極管具有PN結。在這里，P-I-N中的“I”代表本征半導體層，與信號二極管相比，它能承受較高的反向電壓，如圖1所示。

然而，這種本征層的缺點是在正向偏置條件下會增加顯著的電阻，這意味著功率二極管可能需要適當的冷卻安排來處理大的功率耗散。

通常，功率二極管用于包括整流器、電壓鉗位器、電壓倍增器等多種應用。功率二極管的符號與信號二極管相同，如圖2所示。

其他集成在功率二極管中使其能處理更高功率的特性包括：

·使用保護環

·硅氧化物層的涂層

保護環是一種p型材料，防止其耗盡層與反向偏置的p-n結的耗盡層合并。保護環防止耗盡層的曲率半徑變得太窄，這可以增加擊穿強度。

另一個特性是在功率二極管表面涂覆SiO2層，以幫助限制電場。如果輕摻雜的“I”層(n層)的厚度大于擊穿時的耗盡層寬度，這會在功率二極管中產生非穿透。這意味著耗盡層沒有穿透輕摻雜的n層。此外，如果“I”層的厚度小于擊穿時的耗盡層寬度，這成為功率二極管的穿透。

功率二極管的特性

功率二極管的兩種特性如圖3和圖4所示。

切入電壓是使二極管在正向導通模式下工作的最小電壓VA(陽極電壓)的值。信號二極管的切入電壓為0.7 V，而功率二極管為1 V，使其典型的正向導通壓降更大。

在正向偏置條件下，信號二極管電流可以指數增長然后線性增長。對于功率二極管，它幾乎與所施加的電壓線性增長，因為所有P-I-N層在正向偏置下都保持飽和的少數載流子。這意味著高電流值可以產生電壓降，掩蓋曲線的指數部分。

在反向偏置條件下，由于少數載流子，直到發生雪崩擊穿之前，會有小的漏電流流動，如圖3所示。

當正向二極管電流達到零后，由于耗盡層和p或n層中存儲的電荷，二極管繼續在相反方向導電。二極管電流流動的反向恢復時間(Trr或trr)是從正向二極管電流變為零的瞬間到反向恢復電流衰減到其反向最大值的25%的瞬間的時間。

其中：

時間ta：從耗盡層移除存儲的電荷

時間tb：從半導體層移除電荷

圖4a中陰影區域代表在反向恢復時間Trr期間必須移除的存儲電荷QR。

至于二極管上的功率損耗=vf * if(如圖4c所示)，二極管中的主要功率損耗發生在時間段tb。總的來說，恢復可以是突然的或平滑的，如圖5所示。

為了定量了解，我們可以使用軟度因子(S因子)。

其中：

比率tb/ta = S因子

S因子=測量二極管恢復期間發生的電壓瞬變

S因子=1 ? 低振蕩反向恢復過程(軟恢復二極管)

S因子<1 ? 大振蕩過電壓(快速恢復二極管或快恢復二極管)

現在存在具有1 A至數千安培正向電流額定值和50 V至5000 V或更高反向恢復電壓額定值的功率二極管。

肖特基二極管：

關于肖特基二極管(圖6)，它們通常具有鋁-硅結，其中硅是n型。

由于金屬沒有空穴，因此沒有存儲電荷，也沒有反向恢復時間。因此，只有多數載流子(電子)的移動，避免了由復合過程引起的關斷延遲。它也可以比p-n結二極管更快地關斷。與p-n結二極管相比，它具有：

(a) 更低的切入電壓

(b) 更高的反向漏電流

(c) 更高的工作頻率

至于應用，這些器件通常用于高頻儀器和開關電源

在高頻儀器中，功率二極管的應用尤為關鍵。它們被用于信號整流、波形整形和頻率倍增等關鍵環節，確保信號處理的精確性和效率。例如，在射頻(RF)發射器中，功率二極管用于將交流信號轉換為直流，為發射器提供穩定的電源，同時還能在接收器中用于檢測和解調信號，提高系統的整體性能。

在開關電源(SMPS)中，功率二極管的作用同樣不可或缺。它們在電源的整流和反饋電路中發揮著核心作用，將交流電轉換為直流電，并確保電源輸出的穩定性和效率。特別是在高效率的開關模式電源中，功率二極管的選擇和配置直接影響到電源的整體轉換效率和熱管理。

此外，隨著技術的發展，功率二極管也在太陽能逆變器、電動汽車充電器和各種工業電源中找到了廣泛的應用。在這些領域，功率二極管不僅需要處理高功率和高電壓，還必須能夠在極端條件下保持穩定運行，這對二極管的材料和設計提出了更高的要求。