图图二极管静态特性用好功率二极管众所周知二极管是电子电路不可或缺的重要器件功率二极管更是功率电路能否高效高性能高可靠工作的重要决定因素有人对开关电源各器件的损耗作过分析统计发现功率二极管的功耗在总损耗中占的比例相当大在一个的高频低压输出的开关电源中效率而功率二极管的损耗却有也就是说二极管的损耗达到了总损耗的以上因此降低二极管的损耗往往能显著提高电源效率开关电源等功率变换电路的性能指标也常常与所用的功率二极管十分有关不合适的二极管参数不仅会降低电源指标有时还会严重影响电源可靠性因此在功率电子产品的
PAGE PAGE # PAGE PAGE # 图1.1 图1.1 二极管静态特性 用好功率二极管 众所周知，二极管是电子电路不可或缺的重要器件，功率二极管更是功率电路能否高效、 高性能、高可靠工作的重要决定因素。有人对开关电源各器件的损耗作过分析统计，发现功 率二极管的功耗在总损耗中占的比例相当大。在一个1KW的高频（200KHZ ）低压（5V ）输出 的开关电源中，效率70 %,而功率二极管的损耗却有160W,也就是说，二极管的损耗达到 了总损耗的50 %以上，因此，降低二极管的损耗往往能显著提高电源效率。开关电源等功 率变换电路的性能指标也常常与所用的功率二极管十分有关，不合适的二极管参数不仅会降 低电源指标，有时还会严重影响电源可靠性。因此，在功率电子产品的设计中，选好、用好 二极管是十分重要的。 要使用好二极管，首先得对二极管有一定了解。还得弄清二极管在电路各种位置中的作 用、工作状态、电压、电流的应力情况。这样才能有的放矢地选择，合理地使用。本文想先 简单介绍二极管的基本特性及主要参数，再从典型功率电路中二极管的各种使用场合，分析 它们的工作状态，提出选用的依据、原则。希望能对功率电路设计师们在选用功率二极管有 所帮助。 第一章? 二极管的基本特性及主要参数 静态特性 二极管的静态伏安特性曲线所示，可以分成以下三 部分： 1.正向特性 二极管两端加上正向电压时, 就产生正向电流。但是当这个电 压比较小时，由于外部电场不足 以克服内部电场对载流子扩散 运动所造成的阻力，因此，这时 的正向电流仍然很小，二极管呈 现的电阻较大。随着两端电压的 升高，内部电场被大大削弱，二 极管的电阻变得很小，电流很快 增长。 这里，有两个二极管的重要静 态参数，正向压降VF,正向直流电流IF。二极管規格书中的相关指标为最大正向电压VFM, 正向平均整流电流IAV。 .反向特性 外加反向电压时，由于在P型半导体还存在着少数自由电子，在N型半导体中也还存在 着少数空穴，这些少数载流子在反向电压作用下很容易通过PN结，形成反向电流。在外加 反向电压一定范围内，反向电流基本不随反向电压变化，图中IR表示的就是反向电流，VR 表示所加的反向电压，二极管规格书中的IRM表示的就是最大反向漏电流。IRM也是二极管 的重要静态参数，需要注意的是，它对温度较敏感，尤其是肖特基二极管，所以，规格书中 列出了两种温度下的IRM。 3.反向击穿 当反向电压增加到一定的值以后，反向电流急剧增大，出现反向击穿现象。这是由于外 加的电压强制地把外层电子拉出，使载流子数目急剧上升。此时的电压称为反向击穿电压。 规格数中列出的相关指标为VRRM称为反向重复峰值电压，稍小于击穿电压。 开关特性 在开关电源等功率变换电路中，除了工频整流器外，功率二极管大都工作在高频开关状 态，因此，二极管的动态开关特性就十分重要。其中主要是正向开通特性和反向恢复特性。 二极管开关过程中的电压电流波形如图1.2所示。 1.开通特性二极管开通时 间特性如图1.2 a 所示，开通初期出 现较高正向峰值 电压UFP,随后电 压下降， 1.开通特性 二极管开通时 间特性如图1.2 a 所示，开通初期出 现较高正向峰值 电压UFP,随后电 压下降，电压达到 稳态正向压降的 1.1 倍（也有人将 此值定为2V）的时 间，称为二。极管正 向开通时间TFR。 选用工作在开关 状态的二极管时， 必须注意 UFP和 TFR这二个参数， a.正向开通特性 b.反向恢复特性 图1.2二极管开关过程中电压电流波形 因它们决定二极管开通损耗大小，对二极管工作时的温升影响很大。在某些电路冲「如 极管UFP太大，电路甚至不能正常工作。 2 .关断特性 二极管正在通过大的正向电流而突加反向电压时，反向阻断能力的恢复过程如图 所示。 在T0瞬时，二极管上施加反向电压，正向电流IF以dif/dt 速率减小，dif/dt 的大小由 反向电压UR和分布电感所决定。 在T1瞬时，二极管电流过零，由于PN结的存储效应，存储电荷消失前，二极管未恢复 阻断能力，电流继续以相同速率反向增大，此时，正向压降稍有下降。 果二 1.2b 在T2时刻，电流达最大反向电流IRM ,二极管开始恢复阻断能力，承受反向电压。 T2 以后，二极 管承 受反向 电压的 能力迅 速提高，反向 电流迅 速下降 ，下降速 率为 dir/dt ， 它通过引线电感会感生较高电压，再加上反向电压UR后形成最大反向电压URM 在 T3 时 刻 ,反向 电 流减 小到 0.1IRM（ 有 人将此 值定为 0.25IRM） 。 T1 到 T3 的 时 间 TRR 称 为 二 极 管 反 向 恢 复 时 间 。 在高 频电 路 中，工 作于开 关状态 的二极管，它 的反 向恢复 特性对 电路性 能的 影响是 很大 的。首先，在频率较高的电路中，二极管的TRR必需足够小，否则，即使电路能工作，二极 管的损耗也将十分巨大，电路效率会很低。但，如果仅追求TRR小，对于工作在功率开关状 态的 二极管来 说，还是很不够的 。我 们必 需特别 关注二 极管反 向 恢 复过程 中 的 IRM 和 dir/dt 。 由 图 1.2b 可 知 ,TRR 是 由 T1-T2 和 T2-T3 两 部 分 组 成 , 在 T1-T2 期 间 , 承 受 反 向 电 压 的 二 极管, 由于 存储电 荷的 作用, 电流由 零反 向 增大 到 IRM， IRM 的 大小主 要由存 储电荷数量 和正 向 电流的 下降 速度即 dif/dt 决 定，在 一定的 dif/dt 下， IRM 越大， T1-T2 的 时间就会越长 ， 也就是TRR会增大。而且，IRM大也会使二极管高频工作电路中的电流波型上迭加的尖峰增 大。 在 T2-T3 期间， IRM 在 反向 电 压作用 下， 以 dir/dt 速率 迅速减小。 这 里， 我们不 希望 dir/dt 大 即 T2-T3 的 时 间 短 ，也 就 是 说 ，虽 然 从 工 作 频 率 和 损 耗 的 角 度 要 求 ， TRR 要 小 ，而 作为TRR组成部分的T2-T3的时间，我们却希望它能长些，即dir/dt 要小。平时所说反向 恢复特性 要软 ， 就是 这个意 思。 dir/dt 过 大， 也 就是 反向 特性太硬 的 话， 由于 电 路中 不可 避免地存在的 分布电 感、电 容的 影 响，会 出现强烈振荡 ，产 生 噪音 和严重 的寄生 干扰，使 电 路不能稳定工作，且dir/dt 过大，会使Ldir/dt 与UR迭加形成的URM过高，在电路中产生 电 压尖峰， 严 重时甚 至会使二极管 损坏 。 衡量反向 恢复特 性的 硬软，可 有多种 方法，国 外有 些公司 用一种 称为软 度系 数的 参数来 表示二极管反 向 恢复 特性软硬程度 ,若 S 为 软度系 数, 它 定义 为: S=（T3-T2）/（T2-T1） （2 -1） 由上式可 知， S 实际 上是二 极管反 向 恢复过程 中 ， 两 个时间 段- 反向电 流 IR 从零到 IRM 的 时间 和从 IRM 到 0.1（ 或 0.25）IRM 的 时间 之比。 S 值 大， 则 认为 恢复特 性较软 ；S 值 小， 则认为恢复特性较硬。 根 据 式 （ 2-1 ）， 加 大 （ T3-T2 ） 或 减 小 （ T2-T1 ）， 应 该 都 能 增 大 S。 然 而 ， 测 试 二 极 管 反向 恢复特性 时, 通常以一固定 的 dif/dt（ 正 向电 流 衰减 速率）作为 测试条 件。 这 样， S 值就 由 dir/dt 决定， 确实反映出了恢复 特性的 硬软。 高 频电路 中 工 作的 二 极管， 我们 要求它 的 反向 恢复时间 TRR 要 小， 越 小越好， 这 是有 前提的，就是它的恢复特性要有一定的软度。因此，TRR小的管子，它的IRM 一定要小。如 果TRR小了，而IRM没小，恢复特性就变硬，这将会对电路产生不良影响。IRM是由二极管 工 作时内部的 存储电 荷量决定的 。 IRM 小才能使 二极管 的 开关 性能 优良。 有时，也可以用URM/UR来表示恢复特性的硬软,URM是反向恢复过程中的最大反向电压， 大小由dir/dt 和分布电感决定，UR为二极管上所加的反向电压。URM/UR大，恢复特性较硬， 显然对电 路将 产生 较 大的 不 良影响 。 URM/UR 小， 恢复 特性软 ， 二极 管的开 关过 程对工 作电 路的 不良影 响 将会很 小。 三．二极管的损耗 二极管在电路中的损耗P由四部分组成。 P=Pfr+Pf+Prr+Pr PAGE PAGE PAGE PAGE 第二章 整流电路中的二极管 第二章 整流电路中的二极管 其中Pfr是二极管开通过程中的损耗，Pf是二极管导通时的损耗，Prr是二极管反向恢 复过程中的损耗，Pr是二极管承受反向电压时的损耗。 Pf和Pr为静态损耗，工作电流确定后，Pf由VF决定，反向电压确定后，Pr由IR决定， 与电路的工作方式关系不大。因而，很容易估算。 Pfr和Prr为开关损 耗，在一定的工作频率 下，Pfr 由 Ufp 和 TFR 决定，Prr 由IRM和 TRR 决定，由于是开关损耗， 它们与电路的工作频率 有直接关系。在高频电 路中，二极管的开关损 耗会远大于静态损耗。 图1.3 二极管的损耗 整流是功率转换最基本的电路之一，功能是将交变的电压、电流转换成单一方向的电压、电 流。二极管由于它的单向导电性显然是实现整流功能最理想、最有效的器件。整流大至可分为 工频（800HZ 以下）正弦波整流和高频脉冲整流。 一.工频整流由于电路简单，工作频 率低，又主要是对正弦波进 行整流。二极管一般只需采用廉价的整流二极管。选型 时只需注意管子的正向电流 和反向电压。然而，在确定所 选二极管的正向电流和反向 电压时，必需注意外电路状 一.工频整流 由于电路简单，工作频 率低，又主要是对正弦波进 行整流。二极管一般只需采 用廉价的整流二极管。选型 时只需注意管子的正向电流 和反向电压。然而，在确定所 选二极管的正向电流和反向 电压时，必需注意外电路状 况。因为为了使整流后的脉 动直流趋于平滑，二极管后 AC INPUT RL AC INPUT 丄c D L I D AC INPUT =LC 让 C RL c 图2.1 PAGE PAGE # PAGE PAGE # 往往接有电感或电容进行滤波，如图2.1所示。 在图2.1a中，由于整流二极管D后接有大容量电解电容，在交流输入正半周的180 ° 中，二极管不再全导通，而是要在输入电压高于电容C上电压UC时才导通，如图2.2所示。 也就是说，二极管的导通角变小了。电容C的容量越大，UC的下降越慢，二极管的导通角 越小，如果输出电流不变，二极管的导通角越小，二极管的峰值电流就越大，因此，当二极 管接有容性负载时，即使负载电流（二极管的平均电流）相同，二极管的峰值电流将会增大， 从而使管子的温升增加。所以，在选择整流二极管时，一定要注意峰值电流，也就是说，在 选择二极管的正向电流时，不能仅考虑工作电流（负载电流），而必需根据所接电容的容量 大小，增加富余量，至于增加多少， 没有必要进行精确定量的计算，工 程上，一般情况下，我们按大于工 作电流的1.6倍来选择二极管的正 向电流IF。至于二极管承受的反向 电压，由于电容电压的叠加，显然 是两倍的输入电压，因此，所选二 极管的反向电压VRRM必须大于两 倍的输入电压峰值。 在图2.1b中，整流二极管D后 接有电感L，由于电感中电流不能 突变，二极管的工作状态将有下述 两个变化。一是二极管的导通角将 变大，负载呈感性时，导通角将大 于180度。因而二极管工作时的峰 值电流将减小。二是由于电感中电 流不能突变，当输入电压换向，二 极管导通转为关断时，电感L上将会产生一定电压UL,如图2.3所示。此时，二极管承受正 的反向电压将是输入反向电压峰值、电容上电压UC （即输出电压）、电感上电压UL三者之 和。而不象图2.1a电路那样，二极管反向仅需承受输入电压峰值与电容上电压UC之和。特 别需要指出的是，如果L的电感量较大，L的能量又没有泄放回路（如图2.1b），UL会很高， 二极管D很容易被击穿。因此，若采用图1b这样的整流电路，必需给电感L加接泄放回路， 如图2.3中电阻R，或采用图2.1c 这样的电路。由上述分析可知，在感性负载的整流电路 中，二极管将承受较高的反向电压。选用时，二极管的VRRM至少必需大于三倍的输入电压 峰值（是指电感能量有良好洩放回路的情况下）。而不是象容性负载那样，只需大于二倍的 输入电压峰值。 UL r C UC 二.高频整流 在开关电源、AC-DC变换器等功率变换电路中， 必须要将高频脉冲功率转换成直流功率。这就不可 避免地需要有能工作于高频（几十KHZ至几百KHZ 甚至几MHZ）开关状态的功率二极管将高频电压电流变换成单向电压电流。 工作于高频状态的二极管，除了要有正向压降小，反向漏电流小等特点外，还必须具有 反向恢复时间短等优良的开关特性。一般在设计高频整流电路，选择功率二极管时应考虑以 AC INPUT 11 RL 图 图2.5 图 图2.5 下几点： .正向压降VF小，以减少损耗，提高效率。 .反向恢复时间TRR短，反向恢复电流峰值IRM要小，这样，关断损耗小且具软恢复 特性。 .正向峰值电压UFP、开通时间TFR要小。开通损耗就小。 .足够的反向电压VRRM下，反向漏电流IR要小，尤其是高电压和高结温应用的场合。 然而，功率二极管在不同的使用场合，不同的工作状态，对它的性能指标要求会有不同 的侧重点。所以，我们在选用时应对二极管在电路中的工作波形、应力情况了解清楚，有的 放矢地选择各项指标，才能使二极管工作可靠，电路高效、经济。 在开关电源等AC/DC变换器中，进行高频整流的功率二极管工作时的电压、电流波形， 与主回路的拓扑结构有很大关系，不同的主回路，二极管所受的电压、电流应力往往不同， 有时甚至差别很大，因此，为帮助大家正确、可靠、合理地选用功率开关二极管，下面对采 用中小开关电源中常用的几种主回路时，高频功率整流二极管的工作状况电流、电压作一分 析介绍，提供一些选用的原则。 1单端反激电路: 由于电路简单、体积小、成本低，是目 前小功率电源中使用最普遍的电路，因它是 利用电感储能来转换功率，不适合较大功率 输出，一般都在150W以下 由于电路简单、体积小、成本低，是目 前小功率电源中使用最普遍的电路，因它是 利用电感储能来转换功率，不适合较大功率 输出，一般都在150W以下，即使采用双管技 术,200W以上的功率也极少采用。 主电路如图2.4所示，当Q的栅极处在驱 动脉冲高电平（即Ton期间）时，Q导通，输入 电压Vi即加到变压器T的初级绕组Np上，极 性为上正下负，根据变压器的同名端接法， 变压器次级绕组 Ns上的感应电压的极性应 为上负下正.因此，高频整流二极管D处于反 偏状态，此时（T on期间）变压器初极绕组Np电 感储能?当Q的栅极处于驱动脉冲低电平 T on T OFF Rl 图2.4 （T off期间）时，Q关断，N p上的电压极性反向,N s上的极性变为上正下负，二极管D导通，释放 Np中储存的能量，向负载供电，同时向电容C充电。直到下一个驱动脉冲到来，二极管关断， 变压器再开始储能。二极管关断时，电容C向 比（即T 变压器再开始储能。二极管关断时，电容C向 比（即Ton/T on+Toff）来使输出电压稳定。 ： 根据上述工作过程的简单介绍，我们 可画出单端反激变换器电路中，变压器初 级绕组Np中的电压、电流波形，及高频整 流二极管上的电压、电流波形如图2.5所 示。 首先我们注意二极管导通时的电流情 况，当Q关断时，二极管开始导通，导通时 间的长短，决定于二个因素，一是Q的关断 时间（即驱动脉冲的Toff时间）,二是变压 器Np中储存能量的大小.二极管中的电流， 一开通时最大，随着储存能量的减小逐渐 负载放电。控制回路通过调节驱动脉冲的占空 PAGE PAGE # PAGE PAGE # 减小，一直到电感中的储能释放完或Q重新导通（既驱动脉冲又到Ton时）二极管变为反偏时， 二极管关断。二极管整个周期中的平均电流显然就是电源的输出电流（即Rl上的电流）,而导 通时的峰值电流，却与导通时间有关，二极管导通时间（即驱动脉冲的T of f时间）越短，显然峰 值电流就越大。 我们再看二极管关断时承受的电压情况，Q导通时Ns上的电压使二极管反偏，此时二极管 承受的反向电压是Ns上的电压幅值与电容C上的电压（即电源输出电压）之和，对低压输出的 电源来说，N S上的电压往往远大于电容C上的电压，所以要特别注意Ns上的电压幅值大小，N S 上的电压若不考虑变压器漏感等的影响应该是输入电压U与变压器匝数比Ns/Np的乘积。 反激变换器有两种不同的工作模式。由前所述，二极管D在Q关断时（即驱动脉冲的Toff 期间）导通，释放变压器中的储能，Q导通时（驱动脉冲的Ton期间），二极管即关断，这样 就有两种可能存在，一是二极管在关断前已将电感的储能释放完，二极管的电流已为零，二 是二极管在关断时，变压器的储能并未释放完，电流不为零。前一种状况称为反激变换器的 不连续工作模式，后一种称为连续工作模式，不同工作模式下二极管的电流波形如图2.6 所示。 二种工作模式的电路拓朴完全相同，决定电路工作模式的参数主要是变压器的励磁电感 和电路的输出电流。两种模式各有优缺点，产品设计师根据不同场合、不同需要，选择不同的 工作模式。需要注意的是，两种模式下
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