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二极管的作用-二极管的作用、工作原理、特性、开关过程详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-07-25 

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二极管的作用-二极管的作用、工作原理、特性、开关过程详解

二极管概述

二极管的作用,二极管,电子元件当中,一种具有两个电极的装置,只允许电流由单一方向流过,许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管(Varicap Diode)则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流(Rectifying)”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为顺向偏压),反向时阻断 (称为逆向偏压)。因此,二极管可以想成电子版的逆止阀。


二极管的作用


早期的真空电子二极管;它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子,这种电子器件按照外加电压的方向,具备单向电流的传导性。一般来讲,晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界


面的两侧形成空间电荷层,构成自建电场。当外加电压等于零时,由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态,这也是常态下的二极管特性。


早期的二极管包含“猫须晶体("Cat's Whisker" Crystals)”以及真空管(英国称为“热游离阀(Thermionic Valves)”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。


二极管的工作原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。


当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。


当外加的反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。


二极管的作用

二极管的作用具体情况如下:


1、整流二极管

利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。


2、开关元件

二极管在正向电压作用下电阻很小,处于导通状态,相当于一只接通的开关;在反向电压作用下,电阻很大,处于截止状态,如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性,可以组成各种逻辑电路。


3、限幅元件

二极管正向导通后,它的正向压降基本保持不变(硅管为0.7V,锗管为0.3V)。利用这一特性,在电路中作为限幅元件,可以把信号幅度限制在一定范围内。


4、继流二极管

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。


5、检波二极管

在收音机中起检波作用。


6、变容二极管

使用于电视机的高频头中。


续流二极管的作用与特性

续流二极管的作用如下:快恢复二极管主要用作续流二极管,与快速开关三极管并联后面带感性负载,如Buck,Boost变换器的电感、变压器和电机,这些电路大部分是用恒脉脉宽调制控制,感性负载决定了流过续流二极管的电流是连续的,三极管开通时,续流支路要截止以防短路,下面例子给出了三极管与续流二极管的相互作用。


图1是简化的Buck电路。其输出电压Vout低于输入电压Vin。图2是T1的控制信号和T1,D1的电压、电流波形。有源器件T1,D1的开通关断相位如下:


T0时刻T1有开通信号。输入电压Vin加在L,Cout的串联支路,使iL线性增加。电感L和Vout决定电流,过一段时间后控制器使T1关断,在断续工作时,电感L储能(W=0.5LiL2)通过续流支路传送到Cout。在t2时刻T1再次开通,整个过程重复。


二极管的开关过程可分为四部分:


A.T1导通时二极管阻断;


B.阻断到导通时间;开通;


C.T1关断,二极管导通;


D.导通到关断瞬间;关断。


二极管的作用


二极管的作用


A. 阻断

MOFET导通时,二极管两端的反压是Vin。与所有的半导体一样,二极管的阳极到阴极有一个小电流(耐电流IR),漏电流由阻断电压,二极管芯片工作温度和二极管制作技术决定。反向电压导致的总功率损耗是:

PSP=VIN·IR


B. 开通

三极管T1关断瞬间,电感电流iL保持不变。二极管两端电压逐渐减小,电流逐渐上升。D1的电流上升时间等于T1的电流下降时间。关断时在pn结存储的大量电荷被载流子带走,使得电流上升时pn结的电阻减小,二极管开通时有电压尖峰,由芯片温度、-diF/dt和芯片工艺决定。


正向电压尖峰与反向电压相比很小(<50V),应用时不影响二极管的工作(图7中的D1波形)。但是二极管的开通电压尖峰增加了三极管的电压应力和关断损耗。


电压尖峰VFR决定了二极管的开通捌耗。这些损耗随开关频率线性增加。


C. 通态

一且开通过程结束。二极管导通正向电流lF,pn结的门限电压和半导体的电阻决定正向压降VF。这个电压由芯片温度、正向电流IF和制造工艺决定。

利用数据手册中的VTO和rT可以计算正向压降和通态损耗。


图3所示正向压降的简化模型是:

VF=rT·IF+VTO


相应的通态损耗是:


二极管的作用


计算出来的损耗只是近似值,因为VTO和rT随温度变化,而给出的只是在一定温度下(TVJM的参考值。


二极管的作用


D. 关断

与通态特性不同,高频应用时二极管的选择是否合适主要取决于关断特性的参数,三极管开通时,电流IF的变化率等于三极管电流上升率di/dt。如果使用MOSFET或IGBT,其-diF/dt很容易超过1000A/μs。前面提到,二极管恢复阻断能力前必须去除通态时存储在pn结的载流子。这就会产生反向恢复电流,其波形取决于芯片温度、正向电流IF,-diF/dt和制造工艺。


图4是正向特性相同的金掺杂和铂掺杂外延型二极管不同温度下的反向恢复电流。


二极管的作用


相同温度下不同制造工艺的二极管的反向恢复特性明显不同。


铂掺杂二极管反向恢复电流的减小速度很快(图5(b)),可控少数载流子的金掺杂二极管的恢复特性较软(图5(a))。


恢复电流减小得很快,线路中分布电感导致的电压尖峰越高。如果最大电压超过三极管的耐压值,就必须使用吸收电路以保障设备的安全工作。而且过高的du/dt会导致EMI/RFI问题,在RFI受限的地方要使用复杂的屏蔽。


二极管的作用


二极管的反向恢复电流不仅会增加二极管的关断损耗。还会增加三极管的开通损耗,因为它也是二极管的反向电流。图6(a)和(b)表明三极管开通电流是电感电流加上二极管的反向恢复电流,而且开通时间受trr影响会增大。


图6(a)和(b)重点说明软恢复特性时低恢复电流的好处。首先,软恢复特性的金掺杂二极管的电压尖峰较小和反向恢复电流较小。因此二极管有低关断损耗。其次,低反向恢复电流可减小三极管的开通损耗。因此,二极管的选择直接决定了两个器件的功率损耗。


二极管的作用


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