最常用的两种二极管是信号二极管和功率二极管。术语信号二极管通常指小信号二极管。小信号二极管具有低功率和额定电流。这些二极管设计用于开关电路、反向电流保护、限幅、箝位和波整形等应用。
电压整流是二极管最重要的应用之一。电能是以交流电的形式传输的。电力以非常高的电压传输到长距离,最终限制了电流。这就是电力以交流电的形式传输的原因。然而,终端设备需要直流电流来进行任何有用的操作。所以,所有的电器都需要将交流电转换成直流电。这可以通过内置的电源单元或在电子设备(3V~15V)的情况下借助于电源适配器来实现。可以说,功率整流是一个非常常见的过程。
小信号二极管不能处理以交流电形式传输的高功率。它们具有低正向电流额定值以及低峰值反向电压。如果一个小信号二极管受到整流应用,它将立即结束燃烧。因此,有专门为整流和电源应用而设计的二极管。这些二极管称为整流二极管或功率二极管。这种二极管也被称为大信号二极管,因为它们工作的是高峰值的电信号。
什么是功率二极管?
功率二极管是为整流而设计的半导体二极管。作为一个二极管装置,它们作为单向电动阀工作。功率二极管被设计成具有大的PN结面积。这使它们具有较大的正向电流,并能承受较大的反向电压。功率二极管的典型正向电流额定值可高达kA,峰值反向电压可高达kV。全世界的主电源电压为数百伏,通常为120V~230V。功率二极管设计良好,能够处理如此大的电压。功率二极管的电气符号与普通二极管相同。然而,在适当的图表中,符号的阳极和阴极基本上分别表示为a和K。
整流二极管结构
在讨论信号二极管时,我们讨论了台面二极管的结构。台面二极管是一个更可靠的结构与许多可预测的规格。功率二极管大多采用台面结构。
重掺杂的N+区域形成阴极。它上面有一个轻掺杂的n外延,而重掺杂的P+区域则扩散到它上面。n外延称为漂移层。它对确定整体接点面积有重要作用。由于它是轻掺杂的,它有助于二极管的全欧姆电阻。高的二极管电阻引起高的反电压峰值。
功率二极管通常由硅制成。这就是为什么它们也被称为硅功率二极管。许多特殊用途的功率二极管也由砷化镓构成。用作阳极掺杂剂的材料有砷、磷和锗。用作阴极掺杂剂的材料有铝、硼和镓。
功率二极管总是标记极性。带表示二极管一端的阴极。在一些二极管模型中,阴极端是有点圆的形状。许多二极管都有二极管符号印在外壳上或有正负极性符号表示。功率二极管有DO(二极管外形),TO(晶体管外形),D2PAK(分立封装),SOD(小外形二极管),金属电极无铅,SOT(小外形晶体管)封装。
值得注意的是,整流二极管适用于频率小于1mhz的应用场合。对于高频整流,肖特基二极管更适合。
功率二极管特性
由于任何二极管都有两个可能的偏置和两个特征区域,功率二极管也有两个不同的操作区域-正向偏置和反向偏置。
当功率二极管正向偏置时,形成重掺杂P+区域的空穴被注入到轻掺杂N-区域。漂移层是轻掺杂的,不能重新组合所有产生的空穴。空穴通过N-区和穿透重掺杂的N+区吸引其电子。由于正电荷载流子的吸引,重掺杂N+区域的电子也被注入到漂移层中,到达重掺杂P+区域。这叫做双重注入。所有的空穴和电子的复合都发生在漂移层中。由于漂移层的电阻特性和所有空穴-电子复合发生在其中,功率二极管的正向偏置电流几乎是线性的。
在反向偏置中,由于二极管的大电流容量和电阻特性,功率二极管能够处理大的反向电压。就像功率二极管的峰值反向电压是几百和几千伏特,它的反向电流(包括反向饱和电流)是几百毫安。在膝电压下,通过二极管的反向电流急剧上升,导致电流突涌。这就是为什么功率二极管被设计成与它们必须处理的电压相比具有非常高的PIV额定值。功率二极管的典型电压-电流特性如下所示。
功率二极管规格
下面是功率二极管的一些重要规格。
- 平均正向电流:这是50/ 60hz正弦波信号的平均正向整流电流。它是平均周期二极管是导电的一半交流信号和另一半时,二极管是不导电的。
- 最大重复正向电流:它是一个功率二极管在不损坏的情况下所能传导的最大电流。这通常表示为电源线电压的电力整流。
- 最大直流反向电压:它是功率二极管可以处理的最大连续电压。任何电压尖峰应在该容许限值内。整流二极管通常并联在电容器上,以平滑高压尖峰。
- 重复峰值反向电压是功率二极管所能处理的交流信号的最大反向电压。反向电压的重复峰值始终小于直流反向电压的最大值。
- 最大工作峰值反向电压:这是二极管在任何时候都可以处理的最大反向电压。交流信号的任何峰值电压或连续信号的振幅不得超过该值。
- 反向漏电流:反向偏置通过功率二极管的电流。这种电流是由热效应引起的,并由少数载流子贡献。功率二极管的漏电流可达数百毫安。
- 反向恢复时间:当二极管从正向偏置切换到反向偏置时,将电流从正向电流水平降至泄漏电流水平所需的时间称为反向恢复时间。它通常以纳秒为单位。当功率二极管必须用于高速开关应用(如SMPS)时,这是一个重要参数。
- 最高温度:二极管所能承受的最高温度。在正向偏压中,二极管由于电流的流动而受热。这是二极管的结温。环境温度也加热二极管。随着温度的升高,通过二极管的电流增加,二极管温度也随着电流的增加而升高。这最终会损坏二极管或导致不可预知的行为。因此,二极管必须只在适当的工作条件下部署。
整流二极管的参考
下面是一些流行的桥式整流二极管列表。
请注意,上述名单并非详尽无遗。然而,这些将作为一个很好的起点来探索整流二极管。
功率二极管的应用
功率/整流二极管的常见应用如下。
- 半波整流
- 全波整流
- 电池充电电路
- 逆变电路
- 飞轮二极管
- 直流电源
- 开关电源
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