什么是PiN二极管（pin二极管与普通二极管的区别）

什么是PiN二极管（pin二极管与普通二极管的区别）

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。

什么是PiN二极管（pin二极管与普通二极管的区别）

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。

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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。

图5为PiN二极管正向恢复波形，PiN二极管的正向恢复电压主要对IGBT的关断过电压有影响，在一定程度上会加剧IGBT的过压尖峰。

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图5 PiN 二极管正向恢复特性

② 反向恢复特性

PiN二极管在正向导通时，N-基区由于电导调制存在大量的过剩载流子。当突然施加一个反向偏压时，需要将这些过剩载流子移出，形成反向恢复电流。基区过剩电子和空穴的消除存在两种机理：一种是因空间电荷区的扩展被电场扫出，形成的扫出电流。扫出电流主要存在于反向恢复的初期。另一种是拖尾电，由于在二极管反向恢复的后期，器件已经承受反向偏压，此时载流子主要依靠剩余载流子的复合消除，复合寿命的长短决定了反向恢复电流的拖尾时间。图5为PiN二极管反向恢复波形，PiN二极管的反向恢复特性不仅加剧了IGBT开通暂态电流尖峰，反向恢复电流的后边沿与回路寄生电感作用，会在二极管上形成反向过压。

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