電力電子技術中電力二極管教學內容設計

梅建偉+田艷芳+羅敏+劉杰+魏海波

摘要：結合電力電子技術中電力二極管結構，分析了電力二極管的電容效應、結電容對頻率的影響、線性等效電路，同時對教材上容易忽視的幾種重要概念進行闡述，該教學內容的拓展豐富了電力二極管的教學內容，有利于電力二極管的工程化應用。

關鍵詞： 半導體；結電容；勢壘區；電導調制效應；

【分類號】TM1-4

基金項目：電動車用輪轂無刷電機驅動系統關鍵基礎問題研究，項目編號：ZDK2201401.

1、電力二極管的物理結構和工作原理

（a） 物理結構 （b）正偏等效電路 （c）反偏等效電路 （d） 伏安特性曲線

圖1 電力二極管的物理結構

電力二極管的基本結構仍然是基于 結，但是如圖1所示與信息電子電路中的二極管的根本區別是多了一層 半導體，可以通過改變其參雜濃度，來改變二極管的耐壓和反向恢復時間，從而形成具有不同性能的電力二極管。結合其物理結構來分析其工作原理是正確理解電力二極管導通和關斷的關鍵，很多文獻對其導通過程有敘述，這里不再贅述。

2、電力二極管的電容效應

如圖1所示，空間電荷區內缺少導電的載流子，其電導率很低，相當于介質，而空間電荷區兩側的P區、N區的電導率高，相當于金屬導體，且PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效應，從這一結構來看，PN結等效于一個電容器，該電容稱為結電容。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容 和擴散電容 。

2.1 勢壘電容

當PN結正偏時，空間電荷區電荷量減少，相當于電容“放電”，當PN結反偏時，空間電荷區電荷量增多，相當于電容“充電”。這種現象可以用一個電容來模擬，該電容稱為勢壘電容。勢壘電容的是非線性電容，其電容量并非常數，而是與外加電壓有關。當外加反向電壓增大時，勢壘電容減小；反向電壓減小時，勢壘電容增大。

從上述分析可知，反向偏置時勢壘電容起主要作用，比如變容二極管，就是利用PN結電容隨外加電壓變化的特性制成的。

2.2 擴散電容

PN結正向偏置時，N區的電子向P區擴散，在P區積累了電子，即存貯了一定數量的負電荷；同樣，在N區也積累了空穴，即存貯了一定數即正電荷。當正向電壓加大時，擴散增強，這時由N區擴散到P區的電子數和由P區擴散到N區的空穴數將增多，致使在兩個區域內形成了電荷堆積，相當于電容器的充電。相反，當正向電壓減小時，擴散減弱，即由N區擴散到P區的電子數和由P區擴散到N區的空穴數減少，造成兩個區域內電荷的減少，、這相當于電容器放電，該現象可以用一個電容來模擬，稱為擴散電容。

從上述分析可知，正向偏置時擴散電容起主要作用。二極管呈現出兩種電容，它的總電容 相當于兩者的并聯，即 。

2.3 結電容對頻率的影響

二極管是一個單向導通器件，通電后結電容會充電，充滿后會反向放電，該電容的特性就是通高頻組低頻，若結電容過大，相當于在其兩端并聯一個較大的電容，由于電容的旁路作用，將降低二極管的高頻響應和影響其單向導電性。如果結電容小，有利于單向導通，其工作頻率會提高。

2.4 二極管的等效電路

二極管是一個非線性器件，為了使電路分析簡化，用線性電路來模擬二極管，使線性電路的電壓、電路關系和二極管外特性近似一致，這個線性電路就稱為二極管的等效電路。在直流電源激勵時，如果考慮到二極管的電阻和門檻電壓的影響，實際二極管可以用圖1（b）、圖1（c）來進行等效，可以根據正偏時的等效電路進一步得到二極管在高頻和低頻時的等效電路，有利于分析含有二極管的功率電子電路的情況。

3、幾個重要概念的理解

1） 與 、 與

表示在 半導體中進行參雜，從而改變 結的耐壓和反向恢復時間， 表示高參雜濃度， 表示低參雜濃度。

表示在 半導體中進行參雜，從而改變 結的耐壓和反向恢復時間， 表示高參雜濃度， 表示低參雜濃度。

參雜濃度越低，有利于提高二極管的耐壓和反向恢復時間，參雜濃度越高，但是造成其通態壓降升高，參雜濃度越高，其導通電阻低，但是二極管的耐壓低和反向恢復時間長。

2） 勢壘區

在 型半導體和 型半導體結合面附近，由于載流子濃度的差異，載流子濃度高的一側向載流子濃度低的一側進行擴散，同時存在少子的漂移運動，這樣在結合面附近，每個原子的價和電子平衡，不能任意移動，形成不導電的 結，這個區域稱之為勢壘區。

由于勢壘區不導電，因此當二極管施加正向電壓時，要使得二極管導通，必須克服勢壘區的影響，即外加電壓大于某一數值時才開始導通，這個電壓稱之為門檻電壓。

3） 電導調制效應

電導調制效應：在二極管完全導通之前， 區電阻率大，當正向偏置電壓升高時，隨著正向電流的增大， 區的電子濃度逐漸升高，此時 區電阻率開始下降，其導通電阻開始減小，使得電流增大時二極管的導通壓降基本維持不變，由圖1（d）可知，正向偏置時，當二極管的正向電流急劇增大時，二極管的導通壓降基本維持不變。

雙極性器件發生電導調制效應，電導調制效應使得整個導電過程其等效電阻隨著其導通電流的增大而減小，一般來說具有電導調制效應的器件其導通壓降較小。

4、電力二極管的特性

1） 靜態特性

主要指其伏安特性，即二極管陽極和陰極兩端電壓與其中流過電流之間的關系曲線。

2） 動態特性

二極管的電壓-電流特性隨時間變化的，主要考慮在開通和關斷過程中，二極管兩端的電壓和其中流過的電流隨時間的變化規律。這部分內容詳見邢巖編著的《電力電子技術基礎》內容。

5、電力二極管的參數

二極管的參數是我們在實際系統設計中選型的重要依據，電力二極管我們主要需要計算如下參數：反向重復峰值電壓 、正向壓降 、正向平均電流 、浪涌電流 、反向恢復時間 以及最高工作結溫 。參數的詳細定義以及計算詳見邢巖等編著的《電力電子技術基礎》內容。

參考文獻

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2] 邢巖等.電力電子技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2009.

作者簡介：梅建偉，男，1978.10，副教授，碩士研究生，主要從事電力電子變換技術以及電機控制技術方面的研究。