电力二极管的工作原理与开关损耗分析

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电力二极管的工作原理与开关损耗分析

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CSDN

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二极管是电力电子领域中最基本的半导体器件之一，其核心结构是PN结。本文将从PN结的基本原理出发，深入探讨电力二极管的工作机制及其在开关电路中的损耗特性。

二极管原理

二极管的基本结构是PN结，如图1所示：

图1：PN结结构示意图

在P区中，主要载流子是空穴；而在N区中，主要载流子是电子。当P区和N区接触时，在它们的交界处会形成一个特殊的区域，称为耗尽区或空间电荷层。这是由于P区的空穴和N区的电子沿着浓度梯度扩散，导致交界处的载流子被中和，形成一个几乎不含载流子的区域。

反向偏置

当PN结施加反向电压时（如图2所示），外部电压会进一步促进耗尽区的形成，使得耗尽层增大。实际上，施加的电压主要出现在耗尽层，这会导致该区域的电场增强。为了维持这种电场分布，需要额外的电荷被添加进入耗尽区，这就是二极管的电容效应。

图2：反向偏置下的PN结

正向偏置

当二极管施加正向电压时（如图3所示），这个电压对耗尽区的电压有抵消作用，使得耗尽区的电压不足以抵消载流子的扩散运动。此时，P区的空穴会扩散到N区成为少数载流子，而N区的电子会扩散到P区成为少数载流子。电流的传导机制是：外部电子从N区右侧进入N区，成为多数载流子；同时电子从P区左侧离开P区，留下多数载流子空穴。

图3：正向偏置下的PN结

载流子复合

当空穴扩散进入N区，或者电子扩散进入P区时，会与该区域的多数载流子发生复合。扩散的空穴和电子浓度如图4所示：

图4：载流子扩散与复合示意图

耗尽区两端的电压与耗尽区边缘的少数电荷浓度密切相关。其中，λ是kT/qe，其中k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，qe是电子的电荷。这个方程表明，更大的正向偏压会导致更大的少数电荷注入整个结。这也意味着，除非在耗尽区边缘的少数电荷减少，否则结电压不能降低。

在平衡状态下，q/τL是少数载流子复合的速率。在平衡状态下，总储存的少数电荷q(t)与耗尽区边缘的电荷浓度ps(t)或ns(t)有关。而在开关瞬态时，二极管的行为不符合这个表达式。以二极管关断为例，初始(t≤t0)，二极管处于导通状态，正向电压v(t0) > 0，导通电流i(t0) = Ion。耗尽区从pn结向外延伸x0距离；图5b所示阴影区域为t = 0时的耗尽区。当x > x0时，存储的少数电荷分布如图5b所示。该少数电荷曲线的斜率与少数载流子扩散的速率成正比；x = x0处的斜率与离子成正比。

图5：二极管关断过程中的电荷分布

在时间t = t0时，外电路开始反转施加电流i(t)的方向。电流变化的速率di/dt由外部电路决定，通常受到布线和封装电感、晶体管驱动电路等的限制。电流在t = t1时变为负的。耗尽区边缘的电荷浓度曲线斜率为负，反映了电流通过结的反转。由于其极性，耗尽区内的电场不阻碍少数载流子反向流动，电流i(t)现在包括少数载流子向后流过耗尽区。由于x = x0处的少数电荷浓度仍然很大，耗尽区的电压仍然为正。

在时间t = t2时，存储在x = x0处的少数电荷已被移除。现在预测耗尽区的电压可能变为负值。然而，在x > x0时，储存的少数电荷仍然存在，如图5b所示。当t > t2时，这个少数电荷继续被移除，而电压变得更负。在时间t = t3时，耗尽区规模增大，并延伸至x = x3处[图5b未示出]。最后，在时间t = t4时，所有的少数存储电荷都被移除。二极管现在阻断了完全反向电压Vof f，没有实质性的反向电流。