电力电子技术基础
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2.2.3 稳态特性

功率二极管的稳态特性主要是伏安特性,即流过二极管的电流与其两端电压之间的关系。图2.2给出了二极管电压和电流的参考方向,图2.3给出了功率二极管的伏安特性曲线。稳态时二极管的两端电压u与流过的电流i之间的关系为

图2.2 二极管电压和电流参考方向

图2.3 功率二极管伏安特性曲线示意

式中,IS为反向饱和电流;UT为温度电压当量,在常温27℃时为26mV。

u为正值并大于0.1V时,根据式(2.1)可得二极管流过正向电流近似为

由式(2.2)可知,iF随着其两端电压的增加指数上升,这就是二极管的正向偏置特性,或称为正向导通特性。当外加电压大于门槛电压Uth时,二极管才开始导通,此后电流迅速上升。如果外加电压小于Uth,那么外电场还不足以削弱内电场,此时正向电流为零。上述现象可以近似认为是扩散电容的充电电压不够大,相应的扩散现象产生的增量电荷ΔQ还不足以填满耗尽层,无法使PN结导通。一般功率二极管的门槛电压约为0.2~0.5V。

当PN结施加反向电压时,u为负值,二极管流过反向电流iR。类似地,当u<-0.1V时,根据式(2.1)可得iR的近似表达式为

由式(2.3)可见,iR近似为恒定电流,称为漏电流,一般很小,在几微安到几毫安范围内。当反向电压超过击穿电压UB后,二极管将被击穿,反向电流迅速增加。

功率二极管的伏安曲线受温度影响较大。温度每升高10℃左右,反向饱和电流将增大一倍。此外,温度升高时,二极管的正向伏安特性曲线左移,正向导通压降减小,呈现出负温度系数,这对大电流场合下使用多个二极管并联均流是不利的。

为方便后续分析,可以将二极管当作理想器件,其伏安特性曲线可以简化为如图2.4所示曲线,即门槛电压Uth=0V,iR=0A,iF不随u变化,UB为无穷大。

图2.4 功率二极管的理想特性曲线