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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。
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。
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6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。
图6 PiN 二极管反向恢复特性
通俗的讲，二极管开通和关断都是需要时间的，开通的太快，二极管不能完全打开，因此导通电阻很大。关断的太快，二极管也不能完全截止，还有一定的反向电流。
平常我们一般对PiN二极管的反向恢复特性比较关注，因为我们在评估器件散热时，PiN二极管开关损耗主要就是反向恢复损耗，同时反向恢复特性的软度决定了二极管的过电压。事实也是如此，二极管的很多失效就是在反向恢复过程中发生的。
二极管的正向恢复特性虽然不像反向恢复特性对器件本身的影响那么大，但也有必要了解一下，因为二极管正向恢复特性对IGBT有源钳位电路设计有一定的影响，后面我们在详细讨论该问题。
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参考文献：
[1] B. Jayant Baliga “Fundamentals of Power Semiconductor Devices”. 2008, pp-110.