功率二极管（Power Diode）是电力电子领域的关键器件，主要用于整流、续流、保护等高功率应用场景。其结构组成、特点及工作原理与普通二极管有显著差异，以下从结构组成特点和基本工作原理两方面详细阐述：

一、功率二极管的结构组成特点

功率二极管需承受高电压、大电流和高温，其结构设计需优化导通损耗、反向恢复特性和热稳定性。典型结构如下：

1. 核心结构组成

2. 关键结构特点

• 轻掺杂漂移区：

• P区和N区掺杂浓度低（10¹³~10¹⁴ cm⁻³），形成高阻抗漂移区，承受大部分反向电压（如1000V二极管的漂移区厚度可达100μm）。

• 厚度和掺杂浓度决定反向击穿电压（BV）。

• N+缓冲区（快恢复二极管特有）：

• 引入高掺杂N+层，加速反向恢复过程中过剩载流子的抽取，降低反向恢复时间（t_rr）和损耗。

• 高导电性电极与封装：

• 金属电极采用厚铜或铝，封装设计支持大电流（如TO-247封装可承受100A以上电流）。

二、功率二极管的基本工作原理

功率二极管的核心功能是单向导电性，即正向导通、反向截止。其工作原理基于P-N结的载流子行为，具体如下：

1. 正向偏置（导通状态）

• 条件：阳极电压 > 阴极电压（正向电压 V_F > 开启电压 V_on，硅二极管约0.7V）。

• 载流子行为：

1. 扩散电流：P区的空穴和N区的电子向对方区域扩散，形成电流。

2. 复合与电场平衡：扩散的载流子在漂移区复合，同时内建电场减弱，允许更多载流子通过。

3. 大电流导通：正向电流主要由漂移区的少数载流子（电子和空穴）浓度梯度驱动，导通电阻（R_on）较低。

• 特点：

• 导通压降（V_F）随电流增大而略微上升（如100A时V_F≈1.5V）。

• 功率损耗：P_loss = V_F × I_F（需通过散热设计控制温升）。

2. 反向偏置（截止状态）

• 条件：阳极电压 < 阴极电压（反向电压 V_R < 击穿电压 BV）。

• 载流子行为：

1. 耗尽层扩展：P-N结两侧的耗尽层（Depletion Region）扩展，耗尽区内无自由载流子。

2. 高阻抗隔离：漂移区的高电阻特性阻止电流通过，反向电流（I_R）极小（μA级，主要为漏电流）。

• 特点：

• 反向漏电流随温度升高而指数增长（需关注高温下的可靠性）。

• 反向击穿：当V_R超过BV时，发生雪崩击穿或齐纳击穿，电流急剧增大（需避免）。

3. 反向恢复过程（快恢复二极管特有）

• 现象：当二极管从正向导通切换到反向截止时，需清除漂移区中存储的过剩载流子，导致反向电流先增大后减小。

• 关键参数：

• 反向恢复时间（t_rr）：从正向电流降至零到反向电流恢复至10%的时间。

• 反向恢复电荷（Q_rr）：反向恢复过程中流过的总电荷，影响开关损耗。

• 优化设计：

• 快恢复二极管通过N+缓冲区加速载流子抽取，降低t_rr（如普通二极管t_rr=500ns，快恢复二极管t_rr=50ns）。

• 肖特基二极管无反向恢复问题，但反向耐压较低（<200V）。

三、功率二极管的关键参数

四、典型应用场景

1. 整流电路：

• 将交流电转换为直流电（如开关电源、变频器中的整流桥）。

2. 续流二极管：

• 在电感负载（如电机、继电器）中，为反向电动势提供通路，保护开关器件。

3. 电压钳位：

• 限制电路中的电压尖峰（如浪涌保护电路）。

4. 自由轮二极管：

• 在逆变器中，为电感电流提供续流路径，提高效率。

五、与其他二极管的对比

总结

1. 结构特点：

• 功率二极管通过轻掺杂漂移区承受高电压，快恢复二极管引入N+缓冲区优化开关特性，封装设计注重散热。

2. 工作原理：

• 正向导通时依赖漂移区载流子扩散，反向截止时依赖耗尽层隔离，快恢复二极管需关注反向恢复过程。

3. 应用选择：

• 根据电压、电流、频率和损耗需求选择合适类型（如高压整流用普通二极管，高频开关用快恢复二极管）。

功率二极管的设计需平衡耐压、导通损耗、开关速度和热性能，是电力电子系统中的基础元件。