什么是PiN二极管？

大家好，这期我们来聊一下电力电子变流器主回路用到的二极管，教科书上一般称之为“电力二极管”。主要是因为此类二极管和电子电路中的普通二极管相比，要处理的电压、电流等级大很多，可达kV和kA级。

电子电路中的二极管大家都比较熟悉了，其原理主要基于PN结的单向导电性。而电力二极管为了承受高电压和大电流，内部结构和PN结有所不同，一般采用的结构如图1所示，中间较宽的为低掺杂浓度的N-漂移区（也称为基区），两边较窄的为高掺杂浓度阳极P+区域和阴极N+区域，称为末端区。N-漂移区与两个末端区交界面分别形成P+N-结和N-N+结。由于N-漂移区掺杂浓度很低，类似于本征半导体（Intrinsic），因此这种结构的二极管也称为PiN二极管。

图1 PiN二极管结构及符号

从应用的角度看电力二极管主要有两种类型：整流二极管和续流二极管。

整流二极管，主要用于50Hz或60Hz的电网频率，由于电流的换向速度很慢，因此开关损耗起次要作用。整流二极管的封装类型根据功率等级的不同主要有螺栓型，平板型等，如图2所示。整流二极管的反向恢复时间较长，多用于开关频率低于1kHz的场合，因此器件手册列表中没有给出反向恢复特性这项参数。

图2 整流二极管图片

续流二极管（Free Wheeling Diode, FWD）在电力电子电路中主要起续流作用。因为电力电子大部分应用场景为感性负载，在功率器件IGBT或MOSFET的关断暂态，要给负载电流提供续流通道。为了配合IGBT或MOSFET高速开关，续流二极管也需要在导通状态与阻断状态快速转换。因此一般选择快速恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）或者肖特基二极管（Schottky Barrier Diode, SBD）来作为续流二极管。

其中SBD相比FRD速度更快，反向恢复电流更小，正向压降也更低，但是所能承受的反向电压也比较低，一般多用于200V以下的低压场合（Si SBD）。然而SiC材料的应用，使得SiC SBD的反向阻断能力至少可达3000V以上[1]。目前部分高压IGBT混合功率模块内部的续流二极管采用的就是SiC SBD，此类器件可有效降低二极管的反向恢复损耗，但是成本相对较高，并没有得到推广。因此，基于Si材料的PiN FRD还将继续发挥重要作用。

图3 SiC-SBD和Si-FRD 对比

PiN 续流二极管一般以两种形式存在，一种是和IGBT芯片一块封装进一个模块。另外也可以单独封装。由于续流二极管一般配合IGBT使用，考虑到安装问题，两者的封装形式基本一致，如图4所示。

图4 IGBT和 PiN FRD 图片

整流二极管在应用过程中相对比较皮实，只要散热和电压不出问题，器件本身比较可靠。而续流二极管为了配合IGBT或MOSFET高频开关，需要在短时间内实现开通或关断，如果在应用时不注意很容易出现失效现象，因此我们重点讨论一下续流二极管。

在这里希望大家建立一种概念，功率器件除了由于自身老化原因导致的失效外，绝大部分是在电磁瞬态过程中发生的失效，因此在变流器的前期研发过程中，一定要对器件的开关暂态特性进行全面测试，保证所有的指标都在安全工作区内。

同时，由于PiN二极管的不可控特性，在电力电子系统中属于被动器件，其重要性也往往被忽视。我们都知道，IGBT门极驱动可以做各种保护措施（短路、过压等），而二极管没有任何保护措施，完全是“裸跑”。因此，续流二极管应该需要得到你更多的“呵护”。

为了用好PiN二极管，我们需要重点关注它的两个特性，分别为：正向恢复特性和反向恢复特性。下面我们对这两个特性进行简单的描述：

① 正向恢复特性:

PiN二极管开通瞬态，阳极和阴极分别将空穴和电子注入到两端的P+N-结和N-N+结，然后，电子和空穴一边向N−基区扩散，一边复合。由于开通瞬态阳极电流快速增加，但电子和空穴的扩散速率有限，在瞬态情况下，低掺杂的N-基区载流子浓度很低，所以有较高的电阻。因此在导通初期，二极管的正向压降随电流逐渐增大。随着时间积累，N-基区过剩载流子不断累积，浓度逐渐增大，形成电导调制，二极管的导通压降逐渐恢复至正常值。