二極管鮮為人知的特性關系

2021-08-18

我們都知道在選擇二極管時,主要看它的正向導通壓降、反向耐壓、反向漏電流等。但我們卻很少知道其在不同電流、不同反向電壓、不同環境溫度下的關系是怎樣的,在電路設計中知道這些關系對選擇合適的二極管顯得極為重要,尤其是在功率電路中。

 

二極管鮮為人知的特性關系


1、?正向導通壓降與導通電流的關系?

 

在二極管兩端加正向偏置電壓時,其內部電場區域變窄,可以有較大的正向擴散電流通過PN結。只有當正向電壓達到某一數值(這一數值稱為“門檻電壓”,鍺管約為0.2V,硅管約為0.6V)以后,二極管才能真正導通。但二極管的導通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴散電流又存在什么樣的關系?通過下圖1的測試電路在常溫下對型號為SM360A的二極管進行導通電流與導通壓降的關系測試,可得到如圖2所示的曲線關系:正向導通壓降與導通電流成正比,其浮動壓差為0.2V。從輕載導通電流到額定導通電流的壓差雖僅為0.2V,但對于功率二極管來說它不僅影響效率也影響二極管的溫升,所以在價格條件允許下,盡量選擇導通壓降小、額定工作電流較實際電流高一倍的二極管。

 

2、?正向導通壓降與環境的溫度的關系?

 

在我們開發產品的過程中,高低溫環境對電子元器件的影響才是產品穩定工作的最大障礙。環境溫度對絕大部分電子元器件的影響無疑是巨大的,二極管當然也不例外,在高低溫環境下通過對SM360A的實測數據表1與圖3的關系曲線可知道:二極管的導通壓降與環境溫度成反比。在環境溫度為-45℃時雖導通壓降最大,卻不影響二極管的穩定性,但在環境溫度為75℃時,外殼溫度卻已超過了數據手冊給出的125℃,則該二極管在75℃時就必須降額使用。這也是為什么開關電源在某一個高溫點需要降額使用的因素之一。

 

3、二極管漏電流與反向電壓的關系?

 

在二極管兩端加反向電壓時,其內部電場區域變寬,有較少的漂移電流通過PN結,形成我們所說的漏電流。漏電流也是評估二極管性能的重要參數,二極管漏電流過大不僅使其自身溫升高,對于功率電路來說也會影響其效率,不同反向電壓下的漏電流是不同的,關系如圖4所示:反向電壓愈大,漏電流越大,在常溫下肖特基管的漏電流可忽略。??

 

4、二極管漏電流與環境溫度的關系?

 

其實對二極管漏電流影響最大的還是環境溫度。在額定反壓下測試的關系曲線,從中可以看出:溫度越高,漏電流越大。在75℃后成直線上升,該點的漏電流是導致二極管外殼在額定電流下達到125℃的兩大因素之一,只有通過降額反向電壓和正向導通電流才能降低二極管的工作溫度。

 

5、二極管反向恢復時間?

 

如圖6所示,二極管的反向恢復時間為電流通過零點由正向轉換成反向,再由反向轉換到規定低值的時間間隔,實際上是釋放二極管在正向導通期間向PN結的擴散電容中儲存的電荷。反向恢復時間決定了二極管能在多高頻率的連續脈沖下做開關使用,如果反向脈沖的持續時間比反向恢復時間短,則二極管在正向、反向均可導通就起不到開關的作用。PN結中儲存的電荷量與反向電壓共同決定了反向恢復時間,而在高頻脈沖下不但會使其損耗加重,也會引起較大的電磁干擾。所以知道二極管的反向恢復時間正確選擇二極管和合理設計電路是必要的,選擇二極管時應盡量選擇PN結電容小、反向恢復時間短的,但大多數廠家都不提供該參數數據。

 

6、二極管反向電壓裕量的意義?

 

我們都知道二極管有個反向擊穿的極限電壓,絕大多數的二極管廠商都沒把它寫入數據手冊,但在大多數情況下為了節省成本不可能將二極管反向耐壓降額到50%左右使用,那么反向電壓裕量是否足夠,這對評估該二極管反向耐壓應降多少額使用較為安全是有一定意義的。從下表中可看出,反向電壓的裕量并不像網上所說的那樣是額定反壓的2~3倍。?

 

膝點反向電壓為漏電流突變時的反向電壓點。(二極管在常溫某電壓點下,其漏電流突然一下增大了幾十上百倍,例如:SM360A二極管在78V時漏電流為20μA,但在79V時漏電流為2?mA,79V即為膝點反向電壓)膝點反向電壓雖然未使二極管完全擊穿,但卻嚴重影響了二極管的正常使用。而在高溫下漏電流更易突變,此時的膝點反向電壓就更低。所以一個二極管的反向電壓應降額值為多少才較為正確合理,更應該從物料的使用環境溫度和實際使用的導通電流來測試膝點反向電壓值,然后再來確定裕量降額值。

 

好的電路設計在對二極管參數的選擇時,不僅要考慮常溫的參數,也要考慮在高低溫環境下的一些突變參數。


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