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一文了解二极管的特性关系

2018年04月20日 11:11 网络整理 作者: 用户评论(0

  由于二极管的单方向导电性特性让它广泛的应用于各种电路中,但我们真正了解二极管的某些特性关系吗?如二极管导通电压和反向漏电流与导通电流、环境温度存在什么样的关系等,那么接下来就跟随小编一起来了解一下二极管的特性关系和正确合理的选型。

  我们都知道在选择二极管时,主要看它的正向导通压降、反向耐压、反向漏电流等。但我们却很少知道其在不同电流、不同反向电压、不同环境温度下的关系是怎样的,在电路设计中知道这些关系对选择合适的二极管显得极为重要,尤其是在功率电路中。接下来我将通过型号为SM360A(肖特基管)的实测数据来与大家分享二极管鲜为人知的特性关系。

  一文了解二极管的特性关系

  二极管的特性详解

  二极管的特性就是单方向导电性。在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负极流出。

  二极管的正向特性:

  在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”,锗二极管约为0.2V,硅二极管约为0.6V)以后,二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗二极管约为0.3V,硅二极管约为0.7V),称为二极管的“正向压降”。

  二极管反向特性:

  在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当普通二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,二极管会反向热击穿而损坏。

  稳压二极管:稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管,其伏安特性曲线与普通二极管相似,但反向击穿曲线比较陡,稳压二极管工作于反向击穿区,由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用,故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小,当反向电压增高到击穿电压时,反向电流突然猛增,稳压管从而反向击穿,此后,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压的变化却相当小,利于这一特性,稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且,稳压管与其它普通二极管不同,反向击穿是可逆性的,当去掉反向电压稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许范围,二极管将会发热击穿而损坏,所以要用电阻限制其电流。

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  二极管的特性关系

  1、 正向导通压降与导通电流的关系

  在二极管两端加正向偏置电压时,其内部电场区域变窄,可以有较大的正向扩散电流通过PN结。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”,锗管约为0.2V,硅管约为0.6V)以后,二极管才能真正导通。但二极管的导通压降是恒定不变的吗?它与正向扩散电流又存在什么样的关系?通过下图1的测试电路在常温下对型号为SM360A的二极管进行导通电流与导通压降的关系测试,可得到如图2所示的曲线关系:正向导通压降与导通电流成正比,其浮动压差为0.2V。从轻载导通电流到额定导通电流的压差虽仅为0.2V,但对于功率二极管来说它不仅影响效率也影响二极管的温升,所以在价格条件允许下,尽量选择导通压降小、额定工作电流较实际电流高一倍的二极管。

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  图1 二极管导通压降测试电路

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  图2 导通压降与导通电流关系

  2、 正向导通压降与环境的温度的关系

  在我们开发产品的过程中,高低温环境对电子元器件的影响才是产品稳定工作的最大障碍。环境温度对绝大部分电子元器件的影响无疑是巨大的,二极管当然也不例外,在高低温环境下通过对SM360A的实测数据表1与图3的关系曲线可知道:二极管的导通压降与环境温度成反比。在环境温度为-45℃时虽导通压降最大,却不影响二极管的稳定性,但在环境温度为75℃时,外壳温度却已超过了数据手册给出的125℃,则该二极管在75℃时就必须降额使用。这也是为什么开关电源在某一个高温点需要降额使用的因素之一。

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  表 1 导通压降与导通电流测试数据

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  图3 导通压降与环境温度关系曲线

  3、二极管漏电流与反向电压的关系

  在二极管两端加反向电压时,其内部电场区域变宽,有较少的漂移电流通过PN结,形成我们所说的漏电流。漏电流也是评估二极管性能的重要参数,二极管漏电流过大不仅使其自身温升高,对于功率电路来说也会影响其效率,不同反向电压下的漏电流是不同的,关系如图4所示:反向电压愈大,漏电流越大,在常温下肖特基管的漏电流可忽略。

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  图4 反向电压与漏电流关系曲线

  4、二极管漏电流与环境温度的关系

  其实对二极管漏电流影响最大的还是环境温度,下图5是在额定反压下测试的关系曲线,从中可以看出:温度越高,漏电流越大。在75℃后成直线上升,该点的漏电流是导致二极管外壳在额定电流下达到125℃的两大因素之一,只有通过降额反向电压和正向导通电流才能降低二极管的工作温度。

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  图5 漏电流与环境温度关系曲线

  5、二极管反向恢复时间

  如图6所示,二极管的反向恢复时间为电流通过零点由正向转换成反向,再由反向转换到规定低值的时间间隔,实际上是释放二极管在正向导通期间向PN结的扩散电容中储存的电荷。反向恢复时间决定了二极管能在多高频率的连续脉冲下做开关使用,如果反向脉冲的持续时间比反向恢复时间短,则二极管在正向、反向均可导通就起不到开关的作用。PN结中储存的电荷量与反向电压共同决定了反向恢复时间,而在高频脉冲下不但会使其损耗加重,也会引起较大的电磁干扰。所以知道二极管的反向恢复时间正确选择二极管和合理设计电路是必要的,选择二极管时应尽量选择PN结电容小、反向恢复时间短的,但大多数厂家都不提供该参数数据。

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  图6 二极管恢复时间示意图

  6、二极管反向电压裕量的意义

  我们都知道二极管有个反向击穿的极限电压,绝大多数的二极管厂商都没把它写入数据手册,但在大多数情况下为了节省成本不可能将二极管反向耐压降额到50%左右使用,那么反向电压裕量是否足够,这对评估该二极管反向耐压应降多少额使用较为安全是有一定意义的。从下表中可看出,反向电压的裕量并不像网上所说的那样是额定反压的2~3倍。

  膝点反向电压为漏电流突变时的反向电压点。(二极管在常温某电压点下,其漏电流突然一下增大了几十上百倍,例如:SM360A二极管在78V时漏电流为20μA,但在79V时漏电流为2 mA,79V即为膝点反向电压)膝点反向电压虽然未使二极管完全击穿,但却严重影响了二极管的正常使用。而在高温下漏电流更易突变,此时的膝点反向电压就更低。所以一个二极管的反向电压应降额值为多少才较为正确合理,更应该从物料的使用环境温度和实际使用的导通电流来测试膝点反向电压值,然后再来确定裕量降额值。

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  表2 二极管反向电压测试数据

  好的电路设计在对二极管参数的选择时,不仅要考虑常温的参数,也要考虑在高低温环境下的一些突变参数。知道二极管的这些特性关系往往会给工程师的选管以及电路故障的分析带来事半功倍的效果。

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( 发表人:陈翠 )

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