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這期我們來聊一下電力電子變流器主回路用到的二極管，教科書上一般稱之為“電力二極管”。主要是因為此類二極管和電子電路中的普通二極管相比，要處理的電壓、電流等級大很多，可達kV和kA級。

電子電路中的二極管大家都比較熟悉了，其原理主要基于PN結的單向導電性。而電力二極管為了承受高電壓和大電流，內部結構和PN結有所不同，一般采用的結構如圖1所示，中間較寬的為低摻雜濃度的N-漂移區（也稱為基區），兩邊較窄的為高摻雜濃度陽極P+區域和陰極N+區域，稱為末端區。N-漂移區與兩個末端區交界面分別形成P+N-結和N-N+結。由于N-漂移區摻雜濃度很低，類似于本征半導體（Intrinsic），因此這種結構的二極管也稱為PiN二極管。

圖1 PiN二極管結構及符號

從應用的角度看電力二極管主要有兩種類型：整流二極管和續流二極管。

整流二極管，主要用于50Hz或60Hz的電網頻率，由于電流的換向速度很慢，因此開關損耗起次要作用。整流二極管的封裝類型根據功率等級的不同主要有螺栓型，平板型等，如圖2所示。整流二極管的反向恢復時間較長，多用于開關頻率低于1kHz的場合，因此器件手冊列表中沒有給出反向恢復特性這項參數。

圖2 整流二極管圖片

續流二極管（Free Wheeling Diode, FWD）在電力電子電路中主要起續流作用。因為電力電子大部分應用場景為感性負載，在功率器件IGBT或MOSFET的關斷暫態，要給負載電流提供續流通道。為了配合IGBT或MOSFET高速開關，續流二極管也需要在導通狀態與阻斷狀態快速轉換。因此一般選擇快速恢復二極管（Fast Recovery Diode，FRD）或者肖特基二極管（Schottky Barrier Diode, SBD）來作為續流二極管。

其中SBD相比FRD速度更快，反向恢復電流更小，正向壓降也更低，但是所能承受的反向電壓也比較低，一般多用于200V以下的低壓場合（Si SBD）。然而SiC材料的應用，使得SiC SBD的反向阻斷能力至少可達3000V以上[1]。目前部分高壓IGBT混合功率模塊內部的續流二極管采用的就是SiC SBD，此類器件可有效降低二極管的反向恢復損耗，但是成本相對較高，并沒有得到推廣。因此，基于Si材料的PiN FRD還將繼續發揮重要作用。

圖3 SiC-SBD和Si-FRD 對比

PiN 續流二極管一般以兩種形式存在，一種是和IGBT芯片一塊封裝進一個模塊。另外也可以單獨封裝。由于續流二極管一般配合IGBT使用，考慮到安裝問題，兩者的封裝形式基本一致，如圖4所示。

圖4 IGBT和 PiN FRD 圖片

整流二極管在應用過程中相對比較皮實，只要散熱和電壓不出問題，器件本身比較可靠。而續流二極管為了配合IGBT或MOSFET高頻開關，需要在短時間內實現開通或關斷，如果在應用時不注意很容易出現失效現象，因此我們重點討論一下續流二極管。

在這里希望大家建立一種概念，功率器件除了由于自身老化原因導致的失效外，絕大部分是在電磁瞬態過程中發生的失效，因此在變流器的前期研發過程中，一定要對器件的開關暫態特性進行全面測試，保證所有的指標都在安全工作區內。

同時，由于PiN二極管的不可控特性，在電力電子系統中屬于被動器件，其重要性也往往被忽視。我們都知道，IGBT門極驅動可以做各種保護措施（短路、過壓等），而二極管沒有任何保護措施，完全是“裸跑”。因此，續流二極管應該需要得到你更多的“呵護”。

為了用好PiN二極管，我們需要重點關注它的兩個特性，分別為：正向恢復特性和反向恢復特性。下面我們對這兩個特性進行簡單的描述：

① 正向恢復特性:

PiN二極管開通瞬態，陽極和陰極分別將空穴和電子注入到兩端的P+N-結和N-N+結，然后，電子和空穴一邊向N−基區擴散，一邊復合。由于開通瞬態陽極電流快速增加，但電子和空穴的擴散速率有限，在瞬態情況下，低摻雜的N-基區載流子濃度很低，所以有較高的電阻。因此在導通初期，二極管的正向壓降隨電流逐漸增大。隨著時間積累，N-基區過剩載流子不斷累積，濃度逐漸增大，形成電導調制，二極管的導通壓降逐漸恢復至正常值。

圖5為PiN二極管正向恢復波形，PiN二極管的正向恢復電壓主要對IGBT的關斷過電壓有影響，在一定程度上會加劇IGBT的過壓尖峰。

圖5 PiN 二極管正向恢復特性

② 反向恢復特性

PiN二極管在正向導通時，N-基區由于電導調制存在大量的過剩載流子。當突然施加一個反向偏壓時，需要將這些過剩載流子移出，形成反向恢復電流。基區過剩電子和空穴的消除存在兩種機理：一種是因空間電荷區的擴展被電場掃出，形成的掃出電流。掃出電流主要存在于反向恢復的初期。另一種是拖尾電，由于在二極管反向恢復的后期，器件已經承受反向偏壓，此時載流子主要依靠剩余載流子的復合消除，復合壽命的長短決定了反向恢復電流的拖尾時間。圖6為PiN二極管反向恢復波形，PiN二極管的反向恢復特性不僅加劇了IGBT開通暫態電流尖峰，反向恢復電流的后邊沿與回路寄生電感作用，會在二極管上形成反向過壓。

圖6 PiN 二極管反向恢復特性

通俗的講，二極管開通和關斷都是需要時間的，開通的太快，二極管不能完全打開，因此導通電阻很大。關斷的太快，二極管也不能完全截止，還有一定的反向電流。

平常我們一般對PiN二極管的反向恢復特性比較關注，因為我們在評估器件散熱時，PiN二極管開關損耗主要就是反向恢復損耗，同時反向恢復特性的軟度決定了二極管的過電壓。事實也是如此，二極管的很多失效就是在反向恢復過程中發生的。

二極管的正向恢復特性雖然不像反向恢復特性對器件本身的影響那么大，但也有必要了解一下，因為二極管正向恢復特性對IGBT有源鉗位電路設計有一定的影響，后面我們在詳細討論該問題。

好了，今天就給大家分享到這里，希望能對大家有所幫助！由于目前個人的公眾號無法留言，大家要是有什么問題，可以私信我啊！

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參考文獻：

[1] B. Jayant Baliga “Fundamentals of Power Semiconductor Devices”. 2008, pp-110.