最新单元2功率二极管精品课件

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1、单元单元2功率二极管功率二极管8/9/2024228/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件半半导导体二极管体二极管 （DIODE)双极型晶体管双极型晶体管 (TRANSISTOR)晶晶闸闸管（管（ SCR）场场效效应应晶体管晶体管 (FET, Field Effect Transistor )一、一、常用半常用半导导体分立器件及其分体分立器件及其分类类8/9/2024338/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/2024448/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管

2、常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/2024558/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/2024668/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/2024778/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/2024888/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/2024998/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管

3、常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件晶晶闸闸管管8/9/202410108/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件国国产产半半导导体体分立器件的型号命名分立器件的型号命名8/9/202411118/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/202412128/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/202413138/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功

4、 率率 器器 件件 半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下: :3 D G 110 B 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管8/9/202414148/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件

5、普通二极管普通二极管：整流二极管、：整流二极管、检检波二极管、波二极管、稳压稳压二极管、恒流二极管、开关二极管等；二极管、恒流二极管、开关二极管等； 特殊二极管特殊二极管：微波二极管、：微波二极管、变变容二极管、容二极管、雪崩二极管、雪崩二极管、SBD、TD、PIN、TVP管等；管等； 敏感二极管敏感二极管：光敏二极管、：光敏二极管、热热敏二极管、敏二极管、压压敏二极管、磁敏二极管；敏二极管、磁敏二极管； 发发光二极管光二极管。 半半导导体二极管体二极管8/9/202415158/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件半导体二极管特点：

6、半导体二极管特点：按照结构工艺不同，可分为按照结构工艺不同，可分为点接触型和面接触型点接触型和面接触型。 按照制造材料不同，可分为按照制造材料不同，可分为锗管锗管和和硅管硅管。点接触型点接触型结电容小，适用于高频电路。结电容小，适用于高频电路。面接触型面接触型可通过较大的电流，多用于频率较低可通过较大的电流，多用于频率较低的整流电路。的整流电路。 锗管锗管正向导通电压约为正向导通电压约为0.2V，反向漏电流大，温，反向漏电流大，温度稳定性较差。度稳定性较差。硅管硅管反向漏电流小，正向导通电压约为反向漏电流小，正向导通电压约为0.7V 8/9/202416168/9/2024单元单元 功率二极管

7、功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件SPICE Model for p-n Diode8/9/202417178/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件二、功率二极管二、功率二极管1、功率二极管的结构、功率二极管的结构2、功率二极管的特性、功率二极管的特性3、性能参数、性能参数4、特种二极管、特种二极管8/9/202418188/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件1、功率二极管的结构功率功率二极管的外形、二极管的外形、结结构和构和电电气气图图形符号

8、形符号a)外形外形b)结结构构c)电电气气图图形符号形符号8/9/202419198/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件以半以半导导体体PN结为结为基基础础由一个面由一个面积较积较大的大的PN结结和两端引和两端引线线以及封装以及封装组组成的成的（垂直结构型）垂直结构型）从外形上看，主要有从外形上看，主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装两种封装基本基本结结构和工作原理与信息构和工作原理与信息电电子子电电路中的二极管一路中的二极管一样样，具有，具有单单向向导电导电性性PN结结的正向的正向导导通状通状态态电导调电导调制效制效应应使得

9、使得PN结结在正向在正向电电流流较较大大时压时压降仍降仍然很低，然很低，维维持在持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PN结结表表现为现为低阻低阻态态8/9/202420208/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 PN结反向阻断状态结反向阻断状态二极管的许多工作特性都主要由轻掺杂区二极管的许多工作特性都主要由轻掺杂区的杂质浓度决定，浓度越低，二极管的击的杂质浓度决定，浓度越低，二极管的击穿电压越高。但杂质浓度降低之后，必然穿电压越高。但杂质浓度降低之后，必然引起正向电阻引起正向电阻RF增大，导致功耗增加，结增大，导致功耗增

10、加，结温上升。因此低掺杂区的杂质浓度不能过温上升。因此低掺杂区的杂质浓度不能过低，对于大多数硅功率二极管来说，轻掺低，对于大多数硅功率二极管来说，轻掺杂区的杂质浓度就是原始硅片本身的杂质杂区的杂质浓度就是原始硅片本身的杂质浓度，因而硅片电阻率的不均匀性常常会浓度，因而硅片电阻率的不均匀性常常会直接导致二极管的反向穿通，从而使反向直接导致二极管的反向穿通，从而使反向耐压能力下降。耐压能力下降。8/9/202421218/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件Junction BreakdownWho will die the first?

11、8/9/202422228/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件一类是一类是台面造台面造型，型，即将硅片即将硅片边沿磨成斜角，边沿磨成斜角，适合于面积较适合于面积较大的大功率二大的大功率二极管。极管。提高功率二极管的反向阻断能力，避免表提高功率二极管的反向阻断能力，避免表面击穿，其面击穿，其PNPN结外露处通常都经过了特殊结外露处通常都经过了特殊的造型处理。的造型处理。8/9/202423238/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件正斜角正斜角pn结的势垒区结的势垒区正斜角：

12、斜角结构减小了正斜角：斜角结构减小了pn结轻掺杂一侧的器件结轻掺杂一侧的器件面积，表面处的耗尽层会扩大，减弱了表面的电面积，表面处的耗尽层会扩大，减弱了表面的电场，使器件的击穿电压接近平面结场，使器件的击穿电压接近平面结8/9/202424248/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件小负角时的小负角时的pn结势垒区结势垒区8/9/202425258/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件斜角技术的缺点是减小了器件的有效面积，同时斜角技术的缺点是减小了器件的有效面积，同时由于增大

13、了空间电荷层的厚度，因而增大了反向由于增大了空间电荷层的厚度，因而增大了反向电流中的产生和复合的分量。该技术仅适用于全电流中的产生和复合的分量。该技术仅适用于全硅片器件。硅片器件。ES/107V/m0 30 60 90 60 30 0 负斜角 正斜角321表面电场对斜角的依表面电场对斜角的依赖关系如右图所示赖关系如右图所示最优的正斜角角度为最优的正斜角角度为 30 60负斜角很尖锐（小于负斜角很尖锐（小于10 ）8/9/202426268/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件如在如在P+N结的表面露结的表面露头处扩散一个低掺杂头处扩散

14、一个低掺杂的的P型环，将表面的型环，将表面的P+N结变成结变成PN结，从结，从而使空间电荷层变宽，而使空间电荷层变宽，提高了其反向击穿电提高了其反向击穿电压。压。 适用于适用于 功率较功率较小的高反压二极管。小的高反压二极管。另一类是加保护环（也称终端延伸技术）另一类是加保护环（也称终端延伸技术）8/9/202427278/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件只要数目足够多，击穿电压就可以接近只要数目足够多，击穿电压就可以接近平面结的理想值。平面结的理想值。8/9/202428288/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息

15、职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 也可以也可以两者结合起两者结合起来使用，以来使用，以提高反向击提高反向击穿电压。穿电压。器件设计者的目标之一就是利用最小的附加器件设计者的目标之一就是利用最小的附加硅面积，得到尽可能接近硅面积，得到尽可能接近VBR的击穿电压。的击穿电压。8/9/202429298/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件2 、 功率二极管的特性功率二极管的特性(1) 伏安特性伏安特性 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的必须克服一定的门坎电压门坎电压

16、Uth(又称死区电压又称死区电压)，当外，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于，当外加电压大于Uth后，后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压管反向击穿电压UBR后二极管被电击穿，反向电流后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。迅速增加。8/9/202430308/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新

17、 型型 功功 率率 器器 件件功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性8/9/202431318/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件(2) 开关特性开关特性对于高频应用中的功率二极管，除了对于高频应用中的功率二极管，除了功率消耗和反向阻断能力外，它在导功率消耗和反向阻断能力外，它在导通过程和关断过程中的瞬态特性也是通过程和关断过程中的瞬态特性也是不容忽视的，某些时候甚至会上升为不容忽视的，某些时候甚至会上升为第一位的重要问题。第一位的重要问题。8/9/202432328/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院

18、新新 型型 功功 率率 器器 件件功率功率二极管的二极管的动态过动态过程波形程波形a) a) 正向偏置正向偏置转换为转换为反向偏置反向偏置 b) b) 零偏置零偏置转换为转换为正向偏置正向偏置 IRPIRP电电流流过过冲最大冲最大值值 URPURP电压过电压过冲最大冲最大值值 tsts存存储时间储时间 tftf电电流下降流下降时间时间 trr=ts+tftrr=ts+tf反向恢复反向恢复时间时间电压过冲电压过冲现象现象8/9/202433338/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件一、开通过程一、开通过程正向电压会随着正向电压会随着电

19、流的上升首先电流的上升首先出现一个过冲，出现一个过冲，然后才逐渐趋于然后才逐渐趋于稳定。稳定。8/9/202434348/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件电压过冲的物理机制：电压过冲的物理机制：一是一是阻性机制阻性机制，即少数载流子的电，即少数载流子的电导调制作用。在导通初期，二极管导调制作用。在导通初期，二极管的电阻主要是低掺杂的的电阻主要是低掺杂的N区的欧姆区的欧姆电阻，其值颇高，且为一常量，因电阻，其值颇高，且为一常量，因而管压降随着电流的上升而升高。而管压降随着电流的上升而升高。但是当电流上升到一定的数值时，但是当电流上升

20、到一定的数值时，注入并积累在低掺杂注入并积累在低掺杂N区的少数载区的少数载流子空穴不断增加，使其电阻明显流子空穴不断增加，使其电阻明显下降，这就是电导调制作用。电导下降，这就是电导调制作用。电导调制使调制使N区的有效电阻随着正向电区的有效电阻随着正向电流的上升而下降，管压降即随之降流的上升而下降，管压降即随之降低，从而形成一个峰值低，从而形成一个峰值UFP。P+N8/9/202435358/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件二是二是感性机制感性机制。是指正向电流。是指正向电流随着时间上升在器件内部的电随着时间上升在器件内部的电感上产

21、生压降。器件内部的电感上产生压降。器件内部的电感由硅片电感和电极电感两部感由硅片电感和电极电感两部分。显然电感压降只存在于电分。显然电感压降只存在于电流上升过程中，正向电流渐趋流上升过程中，正向电流渐趋稳定时即为零。由于有电感压稳定时即为零。由于有电感压降的存在，因而峰值电压降的存在，因而峰值电压UFP必是电流上升率必是电流上升率di/dt的函数，的函数， di/dt越大，越大， UFP也就越高。也就越高。UFP中的阻性分量只在中的阻性分量只在di/dt较较小时才起主要作用。小时才起主要作用。8/9/202436368/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型

22、功功 率率 器器 件件描述二极管开通过程特征参数除了描述二极管开通过程特征参数除了di/dt和和UFP外，还有一个外，还有一个正向恢复时间正向恢复时间tfrTfr 定义定义：正向电压从零经最大值：正向电压从零经最大值UFP降至降至接近稳态压降的某个瞬态值所需要的时间。接近稳态压降的某个瞬态值所需要的时间。对于硅功率二极管，对于硅功率二极管，该瞬态值通常定为该瞬态值通常定为2V。8/9/202437378/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件二、关断过程二、关断过程当二极管上的偏置电当二极管上的偏置电压的极性由正向变成压的极性由正向变成

23、反向时，该二极管并反向时，该二极管并不能立即关断，必须不能立即关断，必须经过一个短暂时间后经过一个短暂时间后才能获得反向阻断能才能获得反向阻断能力，进入关断状态。力，进入关断状态。在关断之前会有显著在关断之前会有显著的反向电流出现，并的反向电流出现，并伴有明显的反向电压伴有明显的反向电压过冲。过冲。8/9/202438388/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件二极管从导通到截止的过渡过程与反二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间向恢复时间trr、最大反向电流值、最大反向电流值IRM，与二极管，与二极管PN结结电容的大小、导结结电

24、容的大小、导通时正向电流通时正向电流IFR所对应的存储电荷所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流电路参数以及反向电流di/dt等都有关。等都有关。8/9/202439398/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件关断过程自时刻关断过程自时刻tF开开始，这时加在二极管始，这时加在二极管上的偏置电压反向，上的偏置电压反向，正向电流正向电流IF以速率以速率diF/dt下降，其值由下降，其值由开关电路的外电感开关电路的外电感L和反向电压和反向电压UR决定决定即即8/9/202440408/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业

25、技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件对对P+N结型二极管而言，结型二极管而言，随着电流的减小，存随着电流的减小，存储在高阻储在高阻N区的额外空区的额外空穴的电导调制作用被穴的电导调制作用被削弱，加上器件内部削弱，加上器件内部电感的作用，管压降电感的作用，管压降UF暂无明显变化，即暂无明显变化，即便电流过零的时刻便电流过零的时刻t0也也只是有轻微下降，且只是有轻微下降，且仍为正向电压。仍为正向电压。8/9/202441418/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件由于时刻由于时刻t1的电流变化率的电流变化率di/dt=0，因而此时电

26、感上，因而此时电感上的电压迅速下降至零，反的电压迅速下降至零，反向电压向电压UR直接加在二极管直接加在二极管上。然而在时刻上。然而在时刻t1之后，之后，由于反向电流迅速下降，由于反向电流迅速下降，在电路电感中产生反向感在电路电感中产生反向感生电动势叠加在二极管上，生电动势叠加在二极管上，而发生反冲至极大值而发生反冲至极大值URP，并在时刻并在时刻t2附近下降至附近下降至UR。8/9/202442428/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件当空间电荷区附近的额当空间电荷区附近的额外空穴即将抽尽，致使外空穴即将抽尽，致使沿沿P+N方向的额

27、外空穴方向的额外空穴电荷密度差电荷密度差PN0时，时，管压降即变为负极性。管压降即变为负极性。这时流经二极管的反向这时流经二极管的反向电流达到极大值电流达到极大值IRP，然，然后迅速下降。空间电荷后迅速下降。空间电荷区迅速展宽，二极管重区迅速展宽，二极管重新获得反向阻断能力。新获得反向阻断能力。8/9/202443438/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件二极管的反向恢复二极管的反向恢复时间时间trr:普通二极管普通二极管trr一般为一般为25us左右，如国产左右，如国产ZP系列的硅整流二极管。系列的硅整流二极管。快恢复二管也称开关

28、二极管，快恢复二管也称开关二极管， trr通常小于通常小于5us左右，如国产左右，如国产ZK系列的硅快速二极管系列的硅快速二极管低于低于50ns称为超快恢复二极管称为超快恢复二极管8/9/202444448/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件恢复系数恢复系数Sr定义定义：8/9/202445458/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 Sr越大，二极管的恢复性能越软。下图为几越大，二极管的恢复性能越软。下图为几种二极管的瞬态电流波形，由于阶跃二极管在关种二极管的瞬态电流波形

29、，由于阶跃二极管在关断过程中断过程中di/dt越高，则过冲峰值电压越高，则过冲峰值电压URP越高。越高。8/9/202446468/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件3、 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数图为常州银河半导体有限公司图为常州银河半导体有限公司快恢复二极管的主要参数快恢复二极管的主要参数8/9/202447478/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 指对二极管所能重复施指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压加的反向最高峰值电压 。一般。一般取反向不重

30、复峰取反向不重复峰值电压值电压U URSMRSM的的8080称为反称为反向重复峰值电压向重复峰值电压U URRMRRM，也，也被定义为二极管的额定被定义为二极管的额定电压电压U URRRR。显然，。显然，U URRMRRM小于小于二极管的反向击穿电压二极管的反向击穿电压U URORO。(1) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM选用二极管的定额一般为其可能承受最高峰选用二极管的定额一般为其可能承受最高峰值电压的两倍值电压的两倍8/9/202448488/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件(2) 额定电流额定电流IF（AV） 二极

31、管的额定电流二极管的额定电流IF被定义为其额定发热所允被定义为其额定发热所允许流过的最大工频正弦半波电流平均值。其正向导许流过的最大工频正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降通流过额定电流时的电压降UFR一般为一般为12V。当二。当二极管在规定的环境温度（极管在规定的环境温度（+40）和散热条件下工）和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值作时，通过正弦半波电流平均值IF时，其管芯时，其管芯PN结结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为Im，则，则额定电流为额定电流为8/9/202449498/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州

32、信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件(3) 最大允许的全周期均方根正向电流最大允许的全周期均方根正向电流IFrms 二极管流过半波正弦电流的平均值为二极管流过半波正弦电流的平均值为IF时，时，与其发热等效的全周期均方根正向电流与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为为 由式由式(1-1)和和(1-2)可得可得 应用中应按有效值相等条件来选取二极管的定额。应用中应按有效值相等条件来选取二极管的定额。8/9/202450508/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件(4) 最大允许非重复浪涌电流最大允许非重复浪涌电流IF

33、SM 指二极管所能承受的最大的连续一个指二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。或几个工频周期的过电流。 该值比二极管的额定电流要大得多。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。能力。8/9/202451518/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 在在PNPN结不受损坏的前提下，二极管结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在所能承受的最高平均温度。一般在125-125-175175范围内。范围内。（5 5）最高工作结温）最高工作结温T

34、 TJMJM8/9/202452528/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 指二极管由导通到截止、并恢复到指二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。自然阻断状态所需的时间。 定义从二极管正向电流过零到其反定义从二极管正向电流过零到其反向电流下降到其峰值的向电流下降到其峰值的10%10%的时间间隔。的时间间隔。 与与di/dtdi/dt、T TJ J、I IF F有关。有关。（6）反向恢复）反向恢复时间时间trr8/9/202453538/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率

35、 器器 件件（7）正向正向压压降降VFM当功率二极管承受的正向电压大到一当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压定值（门槛电压VTO），正向电流才开始），正向电流才开始明显增加，处于稳定的导通状态。明显增加，处于稳定的导通状态。与与正向正向电电流流IF（IAV）对应的电力对应的电力二极二极管上的管上的两端电压两端电压VF即为正向电压降即为正向电压降8/9/202454548/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件（8）反向漏电流）反向漏电流v当二极管施加反向电压时，只有少数载当二极管施加反向电压时，只有少数载流子引起的微小且数值恒

36、定的反向漏电流流子引起的微小且数值恒定的反向漏电流v 反向漏电流是二极管的一个重要参数，反向漏电流是二极管的一个重要参数，反向漏电流越大，单向导电性能越差。反向漏电流越大，单向导电性能越差。v 一般硅反向漏电流约为一般硅反向漏电流约为1uA至几十微安，至几十微安，锗约为几十微安至几百微安。锗约为几十微安至几百微安。v PN结漏电流随温度上升，急剧增大，一结漏电流随温度上升，急剧增大，一般温度每升高般温度每升高10，其反向漏电流值约增，其反向漏电流值约增加加1倍。倍。8/9/202455558/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 功率

37、二极管属于功率最大的半导体功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在器件，现在其最大额定电压、电流在8kV、6kA以上。以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。二极管的参数是正确选用二极管的依据。8/9/202456568/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件4、特种二极管、特种二极管（1） 快恢复二极管快恢复二极管（2）稳压二极管）稳压二极管（3）肖特基二极管）肖特基二极管8/9/202457578/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件1.普通二极管普

38、通二极管Line-frequencyDiodes正向正向压压降可降可以以设计设计的尽可能的低，但是的尽可能的低，但是通常通常trr较较大，用于大，用于线线性性频频率的系率的系统统，耐耐压压几千伏，几千伏，电电流几千安。流几千安。2.快恢复二极管快恢复二极管Fast-recoveryDiodes用于用于变频变频电电路，路，trr只有几个微秒，功率二极管的耐只有几个微秒，功率二极管的耐压为压为几百几百伏，可以伏，可以导导通几百安培。，反向恢复通几百安培。，反向恢复时间时间短短50ns，正向，正向压压降低降低0.9V左右，反向耐左右，反向耐压压一般在一般在1200V以以内内3.肖特基二极管肖特基二极

39、管SchottkyDiodes导导通通压压降只有降只有0.4V（forwardvoltagedrop）反）反压为压为50-100V。反向恢复反向恢复时间时间更短，更短，1040ns，不会有明，不会有明显显的的电电压过压过冲。缺点是当提高反向耐冲。缺点是当提高反向耐压时压时，正向，正向压压降也会降也会提高，多用于提高，多用于200V以下的低以下的低压场压场合；反向漏合；反向漏电电流流也很大。也很大。8/9/202458588/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件（1） 快恢复二极管快恢复二极管一、一、FRD（ Fast Recovery

40、 Diode ）采用扩散法和少采用扩散法和少子寿命控制技术子寿命控制技术制成，特点是反制成，特点是反向恢复很快、成向恢复很快、成本低，但是反向本低，但是反向恢复波形很硬。恢复波形很硬。阶跃二极管（硬恢复二极管）阶跃二极管（硬恢复二极管）瞬态电流波形瞬态电流波形8/9/202459598/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件（a) 阶跃二极管阶跃二极管的杂质浓度分布的杂质浓度分布E(b) 少子浓度分布少子浓度分布减速场减速场阶跃恢复二极管阶跃恢复二极管8/9/202460608/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术

41、学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 在在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成形成“自建电场自建电场”。由于。由于PN结在正向偏压下，以少结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在数载流子导电，并在PN结附近具有电荷存贮效应，结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个使其反向电流需要经历一个“存贮时间存贮时间”后才能降后才能降至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的的“自建电场自建电场”缩短了存贮时间，使反向电流快速缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分截止，并产生丰富的

42、谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。 结构特点：结构特点：8/9/202461618/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件(a) 外加电压波形外加电压波形(b) 普通二极管的单向导电性普通二极管的单向导电性(c) 阶跃二极管中的电流波形阶跃二极管中的电流波形在左图（在左图（a)所示的正弦所示的正弦电压作用下电压作用下,一般二极一般二极管具有单向导电性，其管具有单向导电性，其电流如图（电流如

43、图（b）所示。）所示。但阶跃二极管虽正向特但阶跃二极管虽正向特性相同，但反向特性却性相同，但反向特性却不一样。当外加反向电不一样。当外加反向电压时，电流并不立即截压时，电流并不立即截止，而是有很大的反向止，而是有很大的反向电流流通，直到某一时电流流通，直到某一时刻后，才很快截止，如刻后，才很快截止，如图（图（C）所示。）所示。8/9/202462628/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件二、二、FRED （Fast Recovery Epitaxial Diode）是采用外延层及掺铂进行精确少子寿命控制是采用外延层及掺铂进行精确少子

44、寿命控制技术制成。特点是成本较高、高温性能好，技术制成。特点是成本较高、高温性能好，提高了二极管的快速软恢复性能，减小了开提高了二极管的快速软恢复性能，减小了开关损耗，减小了电磁干扰噪声。其结构剖面关损耗，减小了电磁干扰噪声。其结构剖面示意图如下所示示意图如下所示Pin8/9/202463638/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件Pin二极管二极管基本结构：如右图基本结构：如右图所示，中间的所示，中间的i层一层一般用电阻率很高的般用电阻率很高的p型或型或n型层代替，型层代替，因为完全没有杂质因为完全没有杂质的本征层很难实现。的本征层

45、很难实现。常将高阻常将高阻p层称为层称为层，高阻的层，高阻的n层称层称为为v层。故实际的层。故实际的pin 二极管为二极管为pn和和pvn结构。结构。平面结构平面结构8/9/202464648/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件p-i-n Diode零偏压下，理想的零偏压下，理想的pin 二极管，二极管，i层没有杂质，层没有杂质，相当于耗尽层，相当于耗尽层，n层和层和i层间存在电子浓度梯度，层间存在电子浓度梯度，在其界面形成空间电荷在其界面形成空间电荷区，区，n侧为正，且很薄。侧为正，且很薄。同样，同样，p区靠近区靠近i层一边层一边

46、存在负的空间电荷层，存在负的空间电荷层，也很薄。所以电场均匀也很薄。所以电场均匀分布在高阻分布在高阻i区。区。E理想的理想的pin二极管相当二极管相当于一个平板电容器于一个平板电容器8/9/202465658/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件pi=nipnnppinn、px正偏pin二极管载流子浓度分布正向偏压下，正向偏压下，P+、N+区分别有大量的空穴、区分别有大量的空穴、电子注入到电子注入到i区，在一区，在一定的浓度梯度下，向定的浓度梯度下，向i区中心扩散，同时不区中心扩散，同时不断复合。当单位时间断复合。当单位时间注入的电子

47、空穴数和注入的电子空穴数和复合数相等时，电子复合数相等时，电子和空穴达到稳态分布。和空穴达到稳态分布。由于由于i区电中性要求，区电中性要求，电子和空穴分布相同。电子和空穴分布相同。8/9/202466668/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件注入的电子、空穴产注入的电子、空穴产生电导调制效应，使生电导调制效应，使i区电导增加，在区电导增加，在i区厚区厚度不大于少子扩散长度不大于少子扩散长度时，呈现低阻抗，度时，呈现低阻抗，不同的正偏压具有不不同的正偏压具有不同的电导，这时二极同的电导，这时二极管处在导通状态。等管处在导通状态。等效电

48、路如右图所示效电路如右图所示图中图中Rf为正向结电阻、为正向结电阻、CJ为结电容、为结电容、RS为为P+、N+区区的体电阻和接触电阻之和的体电阻和接触电阻之和 8/9/202467678/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件反偏压下，由于反偏压下，由于i区电区电阻率很高，反向偏压阻率很高，反向偏压主要降落在主要降落在i区，区，p区、区、n区耗尽层宽度变大，区耗尽层宽度变大， i区耗尽层宽度随电压区耗尽层宽度随电压增加更快，当电压增增加更快，当电压增加到一定值时，整个加到一定值时，整个i区都成为耗尽层，区都成为耗尽层， 即即i区穿通，变

49、为高阻层，区穿通，变为高阻层，使使pin 二极管处于关二极管处于关断。断。上图为尚有部分未耗尽的上图为尚有部分未耗尽的pin二极管的等效电路。二极管的等效电路。8/9/202468688/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件在低频时，在低频时，pin二极管和二极管和pn二极管一样可作整流元二极管一样可作整流元件使用，在微波频率下，常作开关管使用。原理件使用，在微波频率下，常作开关管使用。原理是当信号频率高到一定程度时，是当信号频率高到一定程度时， i区中载流子的注区中载流子的注入与扫出跟不上信号的变化。从而使入与扫出跟不上信号的变化。

50、从而使pin管失去整管失去整流作用，但可通过外加偏压加以控制，使之在负流作用，但可通过外加偏压加以控制，使之在负偏压下，即使微波信号是下半周，也能提供高阻偏压下，即使微波信号是下半周，也能提供高阻抗，保持截止状态，而在正偏压下，即使微波信抗，保持截止状态，而在正偏压下，即使微波信号是下半周，也能提供低阻抗，保持导通状态，号是下半周，也能提供低阻抗，保持导通状态，从而对微波信号起到开关状态。从而对微波信号起到开关状态。8/9/202469698/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件（2）稳压二极管）稳压二极管一般为硅的扩散型或合金型。是

51、反向击一般为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管，作为控制电穿特性曲线急骤变化的二极管，作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压（又称齐纳电压）从的端电压（又称齐纳电压）从3V左右到左右到150V，按每隔，按每隔10%，能划分成许多等级。在，能划分成许多等级。在功率方面，也有从功率方面，也有从200mW至至100W以上的产以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电阻态电阻RZ很小，一般为很小，一般为2CW型；将两个互型；将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为补二极管反向串接

52、以减少温度系数则为2DW型。型。 8/9/202470708/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件 硬击穿硬击穿（图中曲线甲）： BVCB0：集电结的雪崩击穿电压VB 软击穿软击穿（图中曲线乙）： BVCB0比VB低 使二极管击穿特性使二极管击穿特性“软软”化的直接原因主要是结平面或化的直接原因主要是结平面或其周边中存在击穿电压较低的弱点，这些局域性的弱其周边中存在击穿电压较低的弱点，这些局域性的弱点通过前后不齐的提前击穿，使二极管整体击穿前的点通过前后不齐的提前击穿，使二极管整体击穿前的反向电流增大，严重时使二极管的击穿电压难以确定

53、，反向电流增大，严重时使二极管的击穿电压难以确定，弱点问题主要是材料和制造工艺的均匀性问题。弱点问题主要是材料和制造工艺的均匀性问题。8/9/202471718/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件稳定电压额定值为稳定电压额定值为15V的一个的一个稳定二极管的电流稳定二极管的电流电压特性电压特性（图（图a ）及其应用示意图）及其应用示意图稳压二极管的应用稳压二极管的应用在生产厂家规定的在生产厂家规定的允许范围内，工作允许范围内，工作电流要尽可能选高电流要尽可能选高一些一些8/9/202472728/9/2024单元单元 功率二极管功率

54、二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件（3）肖特基势垒二极管（）肖特基势垒二极管（SBD）肖特基二极管是以其发明人肖特基博士肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（SchottkySchottky）命名的，）命名的，SBDSBD是肖特基势垒二极管是肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode,Schottky Barrier Diode,缩写成缩写成SBDSBD）的简）的简称。是利用金属与半导体接触形成的金属半称。是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制作的。是近年来间世的低功耗、导体结原理制作的。是近年来间世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向

55、恢复时间大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这左右，而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。8/9/202473738/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件肖特基二极管特点肖特基二极管特点优点：优点：1、正向导通压降低、正向导通压降低2、反向漏电流受温度变化小、反向漏电流受温度变化小3、动态特性好，工作频率高、动态特性好，工作频率高缺点：缺点

56、：1、反向漏电流大、反向漏电流大2、耐压低、耐压低8/9/202474748/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件目前主要使用的半导体材料有目前主要使用的半导体材料有硅硅和和砷化镓砷化镓二二种。种。GaAsGaAs介电常数小、迁移率大，相对硅、锗介电常数小、迁移率大，相对硅、锗二极管，其结电容二极管，其结电容C CJ J和串联体电阻小、截止频和串联体电阻小、截止频率高、噪声小，缺点是率高、噪声小，缺点是GaAsGaAs和金属接触的势垒和金属接触的势垒高度，一般比硅大，因而导通电压比较高。高度，一般比硅大，因而导通电压比较高。由于电子的

57、迁移率比空穴大，为获得良好的由于电子的迁移率比空穴大，为获得良好的频率特性，故一般选择频率特性，故一般选择n n型的半导体材料作基型的半导体材料作基片。片。材料、结构和工艺材料、结构和工艺8/9/202475758/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件为了减小为了减小SBDSBD的结电容，提高反向击穿电的结电容，提高反向击穿电压，同时又不使串联电阻过大，通常是在压，同时又不使串联电阻过大，通常是在N N衬底上外延一高阻衬底上外延一高阻N N薄层。薄层。金属材料应选用与半导体接触形成的势金属材料应选用与半导体接触形成的势垒高度较低的金属

58、。垒高度较低的金属。对于对于n-Si,n-Si,常用的金属有常用的金属有NiNi、MoMo、TiTi、PtPt对于对于n-GaAsn-GaAs，采用过的金属有，采用过的金属有AuAu、AgAg、NiNi、CrCr、TiTi8/9/202476768/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件功率肖特基势垒功率肖特基势垒二极管主要是利二极管主要是利用薄膜淀积技术用薄膜淀积技术在在N型低阻硅上，型低阻硅上，淀积一层金属淀积一层金属（铬、铂、钨、铬、铂、钨、钼钼等）制成。其等）制成。其结构有二种，如结构有二种，如右图所示右图所示8/9/20247

59、7778/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件P型环与型环与n型外延型外延层构成层构成pn结，它结，它与肖特基二极管并与肖特基二极管并联，肖特基二极管联，肖特基二极管的正向压降低于的正向压降低于pn结的，不会影结的，不会影响肖特基二极管的响肖特基二极管的正向特性，但反向正向特性，但反向状态下，状态下，p区将增区将增加边缘势垒层的曲加边缘势垒层的曲率和半径，反向特率和半径，反向特性得到明显改善。性得到明显改善。8/9/202478788/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件（4

60、）碳化硅肖特基二极管）碳化硅肖特基二极管一、期待中的一、期待中的SiC器件器件随着对大功率变换器、高速变换器的需求日随着对大功率变换器、高速变换器的需求日益增加，开始感到硅功率器件的性能受到限益增加，开始感到硅功率器件的性能受到限制，面对广阔的市场，不得不考虑一些新的制，面对广阔的市场，不得不考虑一些新的材料，长远考虑金刚石是一理想的材料，近材料，长远考虑金刚石是一理想的材料，近年来年来SiC材料越来越受到重视，有人预言：材料越来越受到重视，有人预言：碳化硅是碳化硅是21世纪最好的电力电子器件材料。世纪最好的电力电子器件材料。8/9/202479798/9/2024单元单元 功率二极管功率二极

61、管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件SiC晶体也是一种多晶型的，从物理参晶体也是一种多晶型的，从物理参数看，与数看，与Si相比有以下相比有以下特点特点： 带隙宽度是硅的带隙宽度是硅的23倍倍 绝缘击穿电场是硅的绝缘击穿电场是硅的10倍倍 热导为硅的热导为硅的3倍倍 本征温度是硅的本征温度是硅的34倍倍这些特点决定了碳化硅是制作功率器这些特点决定了碳化硅是制作功率器件的理想材料件的理想材料8/9/202480808/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件20002000年年5 5月月4 4日，美国日，美国CREECRE

62、E公司和日本关西公司和日本关西电力公司联合宣布研制成功电力公司联合宣布研制成功12.3kV12.3kV的的SiCSiC功率二极管，其正向压降功率二极管，其正向压降VFVF在在100A/cm2100A/cm2电电流密度下为流密度下为4.9V4.9V。这充分显示了。这充分显示了SiCSiC材料材料制作功率二极管的巨大威力。制作功率二极管的巨大威力。8/9/202481818/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件作作 业：业：思考题思考题1、为什么不能用负斜角做、为什么不能用负斜角做P+N结的终端造型结的终端造型2、正向特性好的、正向特性好

63、的PN二极管，其反向特性一般较差，二极管，其反向特性一般较差，为什么？为什么？3、决定、决定PN二极管的二极管的trr因素有器件内因与电路外因两因素有器件内因与电路外因两类，分别是什么？类，分别是什么？4、为什么、为什么PN结做高频整流时常需并联结做高频整流时常需并联RC缓冲回路？缓冲回路？1、提高功率二极管的反向阻断能力，常采用哪些、提高功率二极管的反向阻断能力，常采用哪些方法？方法？2、肖特基二极管的优缺点是什么？碳化硅肖特基、肖特基二极管的优缺点是什么？碳化硅肖特基二极管的优点是什么？二极管的优点是什么？8/9/202482828/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技

64、术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件一、散热原理一、散热原理二、散热器及其安装二、散热器及其安装2.3 功率二极管的散热措施功率二极管的散热措施8/9/202483838/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件半导体器件的基本结构是半导体器件的基本结构是PN结，而结，而PN结的结的性能与温度密切相关，为了保证器件正常工性能与温度密切相关，为了保证器件正常工作，必须规定最高允许的结温作，必须规定最高允许的结温Tjm ,与最高与最高结温对应的器件的耗散功率即是器件允许的结温对应的器件的耗散功率即是器件允许的最大的耗散功率。器件正常工作时

65、不能超过最大的耗散功率。器件正常工作时不能超过最高结温和功率的最大允许值，否则器件的最高结温和功率的最大允许值，否则器件的特性与参数将要发生变化，甚至因为电极或特性与参数将要发生变化，甚至因为电极或半导体层的熔化而永久失将效。半导体层的熔化而永久失将效。8/9/202484848/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件但电力电子器件在传递和处理电能的但电力电子器件在传递和处理电能的同时，也要通过电同时，也要通过电-热转换消耗一部热转换消耗一部分电能。为了保持器件的正常工作，分电能。为了保持器件的正常工作，由消耗电能转换而成的热量必须及时

66、由消耗电能转换而成的热量必须及时传出器件并有效的散发掉。这就涉及传出器件并有效的散发掉。这就涉及到散热原理与散热措施两方面的内容。到散热原理与散热措施两方面的内容。8/9/202485858/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件一、散热原理一、散热原理自然散热的方式自然散热的方式（热力学原理）（热力学原理）热传导热传导热对流热对流热辐射热辐射8/9/202486868/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件电力电子器件的主要发热部位在半导体电力电子器件的主要发热部位在半导体芯片

67、内部，由消耗电能产生的热量首先芯片内部，由消耗电能产生的热量首先通过热传导转移到管座（外壳的底座）通过热传导转移到管座（外壳的底座）和散热器上，然后经热传导、对流和辐和散热器上，然后经热传导、对流和辐射等多种传热形式散发给空气或水等吸射等多种传热形式散发给空气或水等吸收介质。在这些散热方式中，辐射散热收介质。在这些散热方式中，辐射散热的热量很少，通常只占的热量很少，通常只占1%-2%8/9/202487878/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件半导体功率器件安装示意图半导体功率器件安装示意图 8/9/202488888/9/2024

68、单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件在利用空气散热的自然冷却和风冷方式在利用空气散热的自然冷却和风冷方式中，对流是热量从管座或散热器向空气中，对流是热量从管座或散热器向空气散失的主要方式。当用水或其他液体散散失的主要方式。当用水或其他液体散热时，散热器壁与散热介质之间的热传热时，散热器壁与散热介质之间的热传导则是主要的散热方式。导则是主要的散热方式。8/9/202489898/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件规定的最高结温（允许的结温）远规定的最高结温（允许的结温）远低于其本征失效温

69、度（芯片面积大，低于其本征失效温度（芯片面积大，温度分布不均匀）温度分布不均匀）硅功率二极管：硅功率二极管： 135150军用设备：军用设备： 125130超高可靠性设备：超高可靠性设备： 105 器件器件 Tjm8/9/202490908/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件热传输与电传输有很大的相似性，其热传输与电传输有很大的相似性，其过程，其过程也有稳态（管芯发热率过程，其过程也有稳态（管芯发热率与散热率相等，结温不再升高，处于与散热率相等，结温不再升高，处于热均衡状态）和瞬态（升温或降温的热均衡状态）和瞬态（升温或降温的过渡过

70、程）过渡过程）8/9/202491918/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件1、稳态热阻、稳态热阻热传输遵从热路欧姆定律：热传输遵从热路欧姆定律：T冷热端的温差（冷热端的温差（k）（）（类似电压类似电压）Pd功率耗散，即热流（散热速率，功率耗散，即热流（散热速率，类类似电流似电流，单位时间内产生的热量）（，单位时间内产生的热量）（W）R热阻（热阻（k/w）（）（稳态热阻稳态热阻）8/9/202492928/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件h散热系数散热系数k热导率热导率

71、A散热面积散热面积L热流路程长度热流路程长度8/9/202493938/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件散热设计的主要任务就是根据器件的散热设计的主要任务就是根据器件的耗散功率设计一个具有适当热阻的散耗散功率设计一个具有适当热阻的散热方式和散热器，以确保器件的芯片热方式和散热器，以确保器件的芯片温度不高于最大结温温度不高于最大结温Tjmax8/9/202494948/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件设散热器的环境温度为设散热器的环境温度为T a，则，则芯片到环境的总热

72、阻：芯片到环境的总热阻：8/9/202495958/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件半导体功率器件的传热途径和热阻示意图半导体功率器件的传热途径和热阻示意图 8/9/202496968/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件总热阻总热阻Rj-a分成三部分：分成三部分：a：内热阻内热阻RJ-C ：从管芯到管壳的热阻：从管芯到管壳的热阻b：外热阻外热阻 RC-S ：从管壳到散热器的接触热阻：从管壳到散热器的接触热阻 RS-a从散热器到环境介质的散热器热从散热器到环境介质的散热器

73、热阻阻8/9/202497978/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件若考虑从管壳到环境的直接传热作用，若考虑从管壳到环境的直接传热作用， Rj-a更复杂：更复杂：8/9/202498988/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件半导体器件稳态散热过程的等效电路半导体器件稳态散热过程的等效电路8/9/202499998/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件对于器件用户来说，结壳热阻对于器件用户来说，结壳热阻RJ-C是是

74、不能改变的一个器件因素，它同不能改变的一个器件因素，它同Tjmax 、最大功耗、最大功耗Pdm一起决定壳温一起决定壳温的上限的上限8/9/20241001008/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件接触热阻接触热阻RC-S的大小与多种的大小与多种因素有关，它因素有关，它不但取决于器不但取决于器件的封装形式、件的封装形式、界面平整度和界面平整度和散热器的安装散热器的安装压力，还取决压力，还取决于管壳与散热于管壳与散热器之间是否加器之间是否加有绝缘垫片或有绝缘垫片或导热硅脂。导热硅脂。增加安装压力可减小增加安装压力可减小RC-S ，涂，涂

75、导热脂可降低导热脂可降低RC-S ，但加绝缘，但加绝缘垫片可使垫片可使RC-S增加增加8/9/20241011018/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件2、瞬态热阻抗、瞬态热阻抗 当功率器件工作在开关模式之中时，当功率器件工作在开关模式之中时，其峰值结温与平均结温有一定的差别。其峰值结温与平均结温有一定的差别。 在电流脉冲的持续时间较长，占空比在电流脉冲的持续时间较长，占空比也较高的情况下，峰值结温有可能非常也较高的情况下，峰值结温有可能非常接近平均结温。这时，热阻的概念仍然接近平均结温。这时，热阻的概念仍然适用。适用。8/9/20

76、241021028/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件tp器件导通时间器件导通时间矩形脉冲，若幅值为矩形脉冲，若幅值为Pp，则其平均值：，则其平均值：8/9/20241031038/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件在脉冲较短，占空比比较低的情况下，峰值结在脉冲较短，占空比比较低的情况下，峰值结温有可能远高于平均结温，成为器件工作特性温有可能远高于平均结温，成为器件工作特性的主要限制因素。这时的结温高低不仅与器件的主要限制因素。这时的结温高低不仅与器件的消耗功率有关，还在

77、很大程度上决定于电流的消耗功率有关，还在很大程度上决定于电流脉冲的形状、持续的时间和重复的频率。因而脉冲的形状、持续的时间和重复的频率。因而热阻的概念不再适用，须用瞬时热阻抗这个新热阻的概念不再适用，须用瞬时热阻抗这个新概念代替。其概念代替。其反映了热传体的热惯性在热量传反映了热传体的热惯性在热量传递的瞬变过程中对热阻的改变递的瞬变过程中对热阻的改变，用，用Z表示。表示。r(tp)是一个与脉冲宽度是一个与脉冲宽度tp及占空比有关的及占空比有关的比例因子，本质上也就是以稳态热阻为比例因子，本质上也就是以稳态热阻为1的归的归一化瞬态热阻抗。一化瞬态热阻抗。8/9/20241041048/9/202

78、4单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件8/9/20241051058/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件二、散热器及其安装二、散热器及其安装散热器是以对流和辐射的方式将热能散热器是以对流和辐射的方式将热能传到环境中去的，散热器的热阻传到环境中去的，散热器的热阻RS-a与散热器的材质、结构、表面颜色、与散热器的材质、结构、表面颜色、冷却方式及安装位置有关。冷却方式及安装位置有关。8/9/20241061068/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功

79、 率率 器器 件件散热器的形状散热器的形状（1）平板型）平板型（2）叉指型）叉指型（3）型材型）型材型8/9/20241071078/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件散热器的表面：散热器的表面：涂黑色漆或钝化涂黑色漆或钝化。目的是提高辐射。目的是提高辐射系数，可减小系数，可减小10%-15%的热阻。的热阻。散热器的安装散热器的安装：应垂直安放应垂直安放。因为热气流密度轻，自。因为热气流密度轻，自然向上流动，以形成然向上流动，以形成“烟囱效应烟囱效应”，便，便于散热。热阻可减小于散热。热阻可减小15%-20%。8/9/2024108

80、1088/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件散热器的冷却方式：散热器的冷却方式：v自然冷却自然冷却依靠空气的自然对流及辐射。依靠空气的自然对流及辐射。结构简单、无噪声，但散热效率低。结构简单、无噪声，但散热效率低。v风冷风冷强制通风，加强对流的散热方式。强制通风，加强对流的散热方式。为自冷散热效率的为自冷散热效率的2-4倍，噪声大。倍，噪声大。v水冷水冷散热效率极高，为自然散热的散热效率极高，为自然散热的150倍。冷却介质有水、变压器油，投资高。倍。冷却介质有水、变压器油，投资高。8/9/20241091098/9/2024单元单元

81、 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件主要有铝板或铝型材料制成（价格主要有铝板或铝型材料制成（价格低），另外还有铜、镁和钢等材质。低），另外还有铜、镁和钢等材质。散热器的材质：散热器的材质：8/9/20241101108/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件几种主要外壳封装的半导体功率器件的RjC值封装型号F1F12B 3DS 7S 6RjC3.5 /W3 /W15 /W4 /W10 /W8/9/20241111118/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功

82、 率率 器器 件件几种主要外壳封装的半导体功率器件的RCS值。封装型号F1F12B 3DS 7S 6无散热板3 /W3 /W11 /W3 /W7.5 /W散热板涂硅脂1 /W1 /W1 /W散热板垫云母片1.8 /W1.8 /W1.8 /W8/9/20241121128/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件铝质平板散热器的热阻铝质平板散热器的热阻散热器表面积（cm2）100200300400500600以上热阻Rs-a4.5 6 /W3.5 4.5 /W3 3.5/W2.5 3 /W2 2.5 /W1.5 2.5 /W注：散热器垂直放

83、置时取下限、水平放置时取上限 8/9/20241131138/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件铝质平板散热器的热阻铝质平板散热器的热阻 8/9/20241141148/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件案例案例: 现有一只S 7封装的硅功率半导体器件，查器件手册得知其极限运用温度TJM=150，现根据其工作条件决定工作环境温度TA =70。 1、求它在不带散热器时的极限功耗。 2、若它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度TJM为125，求它在不带散热器时的极限环

84、境温度。 3、若要求它的实际功耗为5.5W，允许的最高器件工作温度为100，允许最高工作环境温度为40。问该器件正常工作时是否需要加装散热器？如果要加装平板散热器，又要求散热器垂直放置，求所需的散热器面积。 8/9/20241151158/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件解：解：1、查表得、查表得S 7封装的器件的热阻封装的器件的热阻RQjC=63 /W代入式PD = = = =1.27(W)也就是说，也就是说，S 7封装的硅功率半导体器件不带散热器在封装的硅功率半导体器件不带散热器在极限运用温度为极限运用温度为TQjC=150，

85、工作环境温度，工作环境温度Ta=70时的时的允许功耗不得超过允许功耗不得超过1.27W。8/9/20241161168/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件2、若它在实际工作时的功耗为750mw，极限运用温度TjM仍为150 则： TA =TjM-PD*RjA=125 630.75 =77.75 8/9/20241171178/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件3、若要求它的实际功耗为5.5W，这已经超出了它在不带散热器时的极限功耗，所以器件必须加装散热器。加装了散热器之后

86、，总热阻为管芯到外壳的热阻RjC 、外壳到器件表面，即到散热器的热阻Rcs及散热器热阻Rs-a之和 查得S 7封装的器件的RjC =4 /W， RCs =3 /W把PD=5.5W、RjC =4 /W， RCs =3 /W代入上式得8/9/20241181188/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件查表或图均可得铝平板散热器的面积S=200cm（厚1.5mm） 8/9/20241191198/9/2024单元单元 功率二极管功率二极管常州信息职业技术学院新新 型型 功功 率率 器器 件件总结总结(工艺角度工艺角度)在安装散热器时还应注意

87、以下几点工艺问题:：1、散热器与器件的接触面应平整，在整个接触面内测量，平面度误差不大于0.1mm。2、在器件与散热器接触面之间最好涂一层硅脂或凡士林，以增加导热性能，减少热阻。3、一般用M3或M4的螺拴将器件紧固在散热器上，相应的紧固扭矩大约是3 4Nm。扭矩太小会增加热阻，扭矩太大则会使螺拴 螺母系统产生非弹性变形，反而减小紧固力，甚至使螺拴 螺母系统滑扣而失效。4、散热器经表面电氧化处理后表面呈黑色，可提高散热效果。5、大部分的功率半导体器件的金属外壳同时作为一个电极使用，当器件的金属外壳对应的电极要求对散热器有电绝缘要求时，应使用专用的云母或聚脂绝缘垫片和绝缘垫圈紧固器件，并应在安装后检查确保绝缘良好。6、如果设备的结构紧凑，空间位置不允许安装足够尺寸的散热器，或器件周围的空间较小，不能保证足够的空气对流，则应考虑使用强制冷却的方法，即在设备内安装冷却风扇。使用体积较小而面积较大的翅式散热器可得到比平板散热器更好的散热效果。一种内部充有优良导热液体的热管散热器，散热性能更为优良，已经逐步应用在高挡的音频功率放大器上。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！120