二極管鮮為人知的6大特性

我們都知道在選擇二極管時(shí)，主要看它的正向?qū)▔航怠⒎聪蚰蛪?、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(huán)境溫度下的關(guān)系是怎樣的，在電路設(shè)計(jì)中知道這些關(guān)系對(duì)選擇合適的二極管顯得極為重要，尤其是在功率電路中。接下來(lái)我將通過(guò)型號(hào)為SM360A(肖特基管)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)與大家分享二極管鮮為人知的特性關(guān)系。

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1、 正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流的關(guān)系

在二極管兩端加正向偏置電壓時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)域變窄，可以有較大的正向擴(kuò)散電流通過(guò)PN結(jié)。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門(mén)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(dǎo)通。但二極管的導(dǎo)通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴(kuò)散電流又存在什么樣的關(guān)系?通過(guò)下圖1的測(cè)試電路在常溫下對(duì)型號(hào)為SM360A的二極管進(jìn)行導(dǎo)通電流與導(dǎo)通壓降的關(guān)系測(cè)試，可得到如圖2所示的曲線關(guān)系：正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流成正比，其浮動(dòng)壓差為0.2V。從輕載導(dǎo)通電流到額定導(dǎo)通電流的壓差雖僅為0.2V，但對(duì)于功率二極管來(lái)說(shuō)它不僅影響效率也影響二極管的溫升，所以在價(jià)格條件允許下，盡量選擇導(dǎo)通壓降小、額定工作電流較實(shí)際電流高一倍的二極管。

圖1 二極管導(dǎo)通壓降測(cè)試電路

圖2 導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流關(guān)系

2、 正向?qū)▔航蹬c環(huán)境的溫度的關(guān)系

在我們開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的過(guò)程中，高低溫環(huán)境對(duì)電子元器件的影響才是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的最大障礙。環(huán)境溫度對(duì)絕大部分電子元器件的影響無(wú)疑是巨大的，二極管當(dāng)然也不例外，在高低溫環(huán)境下通過(guò)對(duì)SM360A的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表1與圖3的關(guān)系曲線可知道：二極管的導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度成反比。在環(huán)境溫度為-45℃時(shí)雖導(dǎo)通壓降最大，卻不影響二極管的穩(wěn)定性，但在環(huán)境溫度為75℃時(shí)，外殼溫度卻已超過(guò)了數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的125℃，則該二極管在75℃時(shí)就必須降額使用。這也是為什么開(kāi)關(guān)電源在某一個(gè)高溫點(diǎn)需要降額使用的因素之一。

表 1 導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度關(guān)系曲線

3、二極管漏電流與反向電壓的關(guān)系

在二極管兩端加反向電壓時(shí)，其內(nèi)部電場(chǎng)區(qū)域變寬，有較少的漂移電流通過(guò)PN結(jié)，形成我們所說(shuō)的漏電流。漏電流也是評(píng)估二極管性能的重要參數(shù)，二極管漏電流過(guò)大不僅使其自身溫升高，對(duì)于功率電路來(lái)說(shuō)也會(huì)影響其效率，不同反向電壓下的漏電流是不同的，關(guān)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。

圖4 反向電壓與漏電流關(guān)系曲線

4、二極管漏電流與環(huán)境溫度的關(guān)系

其實(shí)對(duì)二極管漏電流影響最大的還是環(huán)境溫度，下圖5是在額定反壓下測(cè)試的關(guān)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(diǎn)的漏電流是導(dǎo)致二極管外殼在額定電流下達(dá)到125℃的兩大因素之一，只有通過(guò)降額反向電壓和正向?qū)娏鞑拍芙档投O管的工作溫度。

圖5 漏電流與環(huán)境溫度關(guān)系曲線

5、二極管反向恢復(fù)時(shí)間

如圖6所示，二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為電流通過(guò)零點(diǎn)由正向轉(zhuǎn)換成反向，再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定低值的時(shí)間間隔，實(shí)際上是釋放二極管在正向?qū)ㄆ陂g向PN結(jié)的擴(kuò)散電容中儲(chǔ)存的電荷。反向恢復(fù)時(shí)間決定了二極管能在多高頻率的連續(xù)脈沖下做開(kāi)關(guān)使用，如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間短，則二極管在正向、反向均可導(dǎo)通就起不到開(kāi)關(guān)的作用。PN結(jié)中儲(chǔ)存的電荷量與反向電壓共同決定了反向恢復(fù)時(shí)間，而在高頻脈沖下不但會(huì)使其損耗加重，也會(huì)引起較大的電磁干擾。所以知道二極管的反向恢復(fù)時(shí)間正確選擇二極管和合理設(shè)計(jì)電路是必要的，選擇二極管時(shí)應(yīng)盡量選擇PN結(jié)電容小、反向恢復(fù)時(shí)間短的，但大多數(shù)廠家都不提供該參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖6 二極管恢復(fù)時(shí)間示意圖

6、二極管反向電壓裕量的意義

我們都知道二極管有個(gè)反向擊穿的極限電壓，絕大多數(shù)的二極管廠商都沒(méi)把它寫(xiě)入數(shù)據(jù)手冊(cè)，但在大多數(shù)情況下為了節(jié)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(duì)評(píng)估該二極管反向耐壓應(yīng)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(wǎng)上所說(shuō)的那樣是額定反壓的2~3倍。

膝點(diǎn)反向電壓為漏電流突變時(shí)的反向電壓點(diǎn)。(二極管在常溫某電壓點(diǎn)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(shí)漏電流為20μA，但在79V時(shí)漏電流為2 mA，79V即為膝點(diǎn)反向電壓)膝點(diǎn)反向電壓雖然未使二極管完全擊穿，但卻嚴(yán)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(shí)的膝點(diǎn)反向電壓就更低。所以一個(gè)二極管的反向電壓應(yīng)降額值為多少才較為正確合理，更應(yīng)該從物料的使用環(huán)境溫度和實(shí)際使用的導(dǎo)通電流來(lái)測(cè)試膝點(diǎn)反向電壓值，然后再來(lái)確定裕量降額值。

表2 二極管反向電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

好的電路設(shè)計(jì)在對(duì)二極管參數(shù)的選擇時(shí)，不僅要考慮常溫的參數(shù)，也要考慮在高低溫環(huán)境下的一些突變參數(shù)。知道二極管的這些特性關(guān)系往往會(huì)給工程師的選管以及電路故障的分析帶來(lái)事半功倍的效果。

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