大家好，這期我們來(lái)聊一下電力電子變流器主回路用到的二極管，教科書(shū)上一般稱之為“電力二極管”。主要是因?yàn)榇祟?strong>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(jí)大很多，可達(dá)kV和kA級(jí)。
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(jié)的單向?qū)щ娦?。而電?strong>二極管為了承受高電壓和大電流，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和PN結(jié)有所不同，一般采用的結(jié)構(gòu)如圖1所示，中間較寬的為低摻雜濃度的N-漂移區(qū)（也稱為基區(qū)），兩邊較窄的為高摻雜濃度陽(yáng)極P+區(qū)域和陰極N+區(qū)域，稱為末端區(qū)。N-漂移區(qū)與兩個(gè)末端區(qū)交界面分別形成P+N-結(jié)和N-N+結(jié)。由于N-漂移區(qū)摻雜濃度很低，類似于本征半導(dǎo)體（Intrinsic），因此這種結(jié)構(gòu)的二極管也稱為PiN二極管。
圖1 PiN二極管結(jié)構(gòu)及符號(hào)
從應(yīng)用的角度看電力二極管主要有兩種類型：整流二極管和續(xù)流二極管。
整流二極管，主要用于50Hz或60Hz的電網(wǎng)頻率，由于電流的換向速度很慢，因此開(kāi)關(guān)損耗起次要作用。整流二極管的封裝類型根據(jù)功率等級(jí)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(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，多用于開(kāi)關(guān)頻率低于1kHz的場(chǎng)合，因此器件手冊(cè)列表中沒(méi)有給出反向恢復(fù)特性這項(xiàng)參數(shù)。
圖2 整流二極管圖片
續(xù)流二極管（Free Wheeling Diode, FWD）在電力電子電路中主要起續(xù)流作用。因?yàn)殡娏﹄娮哟蟛糠謶?yīng)用場(chǎng)景為感性負(fù)載，在功率器件IGBT或MOSFET的關(guān)斷暫態(tài)，要給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。為了配合IGBT或MOSFET高速開(kāi)關(guān)，續(xù)流二極管也需要在導(dǎo)通狀態(tài)與阻斷狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換。因此一般選擇快速恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode，F(xiàn)RD）或者肖特基二極管（Schottky Barrier Diode, SBD）來(lái)作為續(xù)流二極管。
其中SBD相比FRD速度更快，反向恢復(fù)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(chǎng)合（Si SBD）。然而SiC材料的應(yīng)用，使得SiC SBD的反向阻斷能力至少可達(dá)3000V以上[1]。目前部分高壓IGBT混合功率模塊內(nèi)部的續(xù)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(fù)損耗，但是成本相對(duì)較高，并沒(méi)有得到推廣。因此，基于Si材料的PiN FRD還將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。
圖3 SiC-SBD和Si-FRD 對(duì)比
PiN 續(xù)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(jìn)一個(gè)模塊。另外也可以單獨(dú)封裝。由于續(xù)流二極管一般配合IGBT使用，考慮到安裝問(wèn)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(yīng)用過(guò)程中相對(duì)比較皮實(shí)，只要散熱和電壓不出問(wèn)題，器件本身比較可靠。而續(xù)流二極管為了配合IGBT或MOSFET高頻開(kāi)關(guān)，需要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通或關(guān)斷，如果在應(yīng)用時(shí)不注意很容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此我們重點(diǎn)討論一下續(xù)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?qū)е碌氖猓^大部分是在電磁瞬態(tài)過(guò)程中發(fā)生的失效，因此在變流器的前期研發(fā)過(guò)程中，一定要對(duì)器件的開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性進(jìn)行全面測(cè)試，保證所有的指標(biāo)都在安全工作區(qū)內(nèi)。
同時(shí)，由于PiN二極管的不可控特性，在電力電子系統(tǒng)中屬于被動(dòng)器件，其重要性也往往被忽視。我們都知道，IGBT門極驅(qū)動(dòng)可以做各種保護(hù)措施（短路、過(guò)壓等），而二極管沒(méi)有任何保護(hù)措施，完全是“裸跑”。因此，續(xù)流二極管應(yīng)該需要得到你更多的“呵護(hù)”。
為了用好PiN二極管，我們需要重點(diǎn)關(guān)注它的兩個(gè)特性，分別為：正向恢復(fù)特性和反向恢復(fù)特性。下面我們對(duì)這兩個(gè)特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述：
① 正向恢復(fù)特性:
PiN二極管開(kāi)通瞬態(tài)，陽(yáng)極和陰極分別將空穴和電子注入到兩端的P+N-結(jié)和N-N+結(jié)，然后，電子和空穴一邊向N?基區(qū)擴(kuò)散，一邊復(fù)合。由于開(kāi)通瞬態(tài)陽(yáng)極電流快速增加，但電子和空穴的擴(kuò)散速率有限，在瞬態(tài)情況下，低摻雜的N-基區(qū)載流子濃度很低，所以有較高的電阻。因此在導(dǎo)通初期，二極管的正向壓降隨電流逐漸增大。隨著時(shí)間積累，N-基區(qū)過(guò)剩載流子不斷累積，濃度逐漸增大，形成電導(dǎo)調(diào)制，二極管的導(dǎo)通壓降逐漸恢復(fù)至正常值。
