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摘要：结合电力电子技术中电力二极管结构，分析了电力二极管的电容效应、结电容对频率的影响、线性等效电路，同时对教材上容易忽视的几种重要概念进行阐述，该教学内容的拓展丰富了电力二极管的教学内容，有利于电力二极管的工程化应用。
关键词： 半导体；结电容；势垒区；电导调制效应；
【分类号】TM1-4
基金项目：电动车用轮毂无刷电机驱动系统关键基础问题研究，项目编号：ZDK2201401.
1、电力二极管的物理结构和工作原理
（a） 物理结构 （b）正偏等效电路 （c）反偏等效电路 （d） 伏安特性曲线
图1 电力二极管的物理结构
电力二极管的基本结构仍然是基于 结，但是如图1所示与信息电子电路中的二极管的根本区别是多了一层 半导体，可以通过改变其参杂浓度，来改变二极管的耐压和反向恢复时间，从而形成具有不同性能的电力二极管。结合其物理结构来分析其工作原理是正确理解电力二极管导通和关断的关键，很多文献对其导通过程有叙述，这里不再赘述。
2、电力二极管的电容效应
如图1所示，空间电荷区内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质，而空间电荷区两侧的P区、N区的电导率高，相当于金属导体，且PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，从这一结构来看，PN结等效于一个电容器，该电容称为结电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容 和扩散电容 。
2.1 势垒电容
当PN结正偏时，空间电荷区电荷量减少，相当于电容“放电”，当PN结反偏时，空间电荷区电荷量增多，相当于电容“充电”。这种现象可以用一个电容来模拟，该电容称为势垒电容。势垒电容的是非线性电容，其电容量并非常数，而是与外加电压有关。当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大。
从上述分析可知，反向偏置时势垒电容起主要作用，比如变容二极管，就是利用PN结电容随外加电压变化的特性制成的。
2.2 扩散电容
PN结正向偏置时，N区的电子向P区扩散，在P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。当正向电压加大时，扩散增强，这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N區的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电，该现象可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。
从上述分析可知，正向偏置时扩散电容起主要作用。二极管呈现出两种电容，它的总电容 相当于两者的并联，即 。
2.3 结电容对频率的影响
二极管是一个单向导通器件，通电后结电容会充电，充满后会反向放电，该电容的特性就是通高频组低频，若结电容过大，相当于在其两端并联一个较大的电容，由于电容的旁路作用，将降低二极管的高频响应和影响其单向导电性。如果结电容小，有利于单向导通，其工作频率会提高。
2.4 二极管的等效电路
二极管是一个非线性器件，为了使电路分析简化，用线性电路来模拟二极管，使线性电路的电压、电路关系和二极管外特性近似一致，这个线性电路就称为二极管的等效电路。在直流电源激励时，如果考虑到二极管的电阻和门槛电压的影响，实际二极管可以用图1（b）、图1（c）来进行等效，可以根据正偏时的等效电路进一步得到二极管在高频和低频时的等效电路，有利于分析含有二极管的功率电子电路的情况。
3、几个重要概念的理解
1） 与 、 与
表示在 半导体中进行参杂，从而改变 结的耐压和反向恢复时间， 表示高参杂浓度， 表示低参杂浓度。
表示在 半导体中进行参杂，从而改变 结的耐压和反向恢复时间， 表示高参杂浓度， 表示低参杂浓度。
参杂浓度越低，有利于提高二极管的耐压和反向恢复时间，参杂浓度越高，但是造成其通态压降升高，参杂浓度越高，其导通电阻低，但是二极管的耐压低和反向恢复时间长。
2） 势垒区
在 型半导体和 型半导体结合面附近，由于载流子浓度的差异，载流子浓度高的一侧向载流子浓度低的一侧进行扩散，同时存在少子的漂移运动，这样在结合面附近，每个原子的价和电子平衡，不能任意移动，形成不导电的 结，这个区域称之为势垒区。
由于势垒区不导电，因此当二极管施加正向电压时，要使得二极管导通，必须克服势垒区的影响，即外加电压大于某一数值时才开始导通，这个电压称之为门槛电压。
3） 电导调制效应
电导调制效应：在二极管完全导通之前， 区电阻率大，当正向偏置电压升高时，随着正向电流的增大， 区的电子浓度逐渐升高，此时 区电阻率开始下降，其导通电阻开始减小，使得电流增大时二极管的导通压降基本维持不变，由图1（d）可知，正向偏置时，当二极管的正向电流急剧增大时，二极管的导通压降基本维持不变。
双极性器件发生电导调制效应，电导调制效应使得整个导电过程其等效电阻随着其导通电流的增大而减小，一般来说具有电导调制效应的器件其导通压降较小。
4、电力二极管的特性
1） 静态特性
主要指其伏安特性，即二极管阳极和阴极两端电压与其中流过电流之间的关系曲线。
2） 动态特性
二极管的电压-电流特性随时间变化的，主要考虑在开通和关断过程中，二极管两端的电压和其中流过的电流随时间的变化规律。这部分内容详见邢岩编著的《电力电子技术基础》内容。
5、电力二极管的参数
二极管的参数是我们在实际系统设计中选型的重要依据，电力二极管我们主要需要计算如下参数：反向重复峰值电压 、正向压降 、正向平均电流 、浪涌电流 、反向恢复时间 以及最高工作结温 。参数的详细定义以及计算详见邢岩等编著的《电力电子技术基础》内容。
参考文献
[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2] 邢岩等.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.
作者简介：梅建伟，男，1978.10，副教授，硕士研究生，主要从事电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。 |
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发表于 2022-2-27 18:17:02