整流二极管

关于大电流整流二极管，我国已有两个行业标准，一个是最大正向平均电流仅为I FAV=1600A[3] ，另一个是最大正向平均电流I FAV3000A[2]。

而我们这里解析的最小容量已为I FAV=7100A，而最大的已达I FAV=16000A[1] ，故称谓超大电流整流二极管。

这类器件由于主要用于新型电阻焊机整流，故又称电阻焊机用超大电流整流二极。

直径ф48/7100A整流二极管是容量最小的超大电流二极管。

把这个器件的参数研究解析明白了，其它各种规格超大电流二极管（如12000A、13500A、16000A）的电、热参数就都迎刃而解了。

超大电流整流二极管是ABB、EUPEC等领先研发生产的，故这里就以ABB 应用最广的5SDD71X0400的参数规格书[4]做实例加以说明，这也是对客户要求的响应。

一、阻断特性（Blocking即阻断特性参数）
ABB的5SDD71X0400的阻断特性参数如下：
解析：
1、V RRM是反向重复峰值电压，即最高允许工作电压。

一般电阻焊机用二极管的反向重复峰值电压V RRM，大都是200V，个别有400V。

就是说，这是一个低电压范围内的超大电流（几万~几十万安培）的应用领域。

2、V RRM是反向不重复峰值电压，往往是指转折电压。

站在测试的角度，在这一点不允许停留时间长，故称不重复；站在应用的角度，加在二极管上的电压是万万不可超过V RRM，故都打有很大余量。

（见图1）它和反向重复峰值电压V RRM
数值上的定量关系为：V RRM=V RRM-100V（或V RRM乘0.8、或乘0.9）。

这里用：V RRM=V RRM-50V。

对电阻焊机，50V的余量已足够。

3、站在高可靠的角度，还应将二极管做成雪崩二极管[5]，即必须测定转折时的瞬时脉冲方波最大电流Ippm[6]。

如是，则将二极管置于高可靠状态。

此时有：V RRM=V RSM。

注意到雪崩V RRM=V RSM随温度升高而增大，并满足线形正温度特性。

如果焊接时将二极管都做成雪崩二极管，因其箝位作用，就能严格避免过电压了。

4、反向重复峰值电流I RRM，即所谓的漏电流，给出额定结温下的漏电流就足够了，这里仅给出额定结温T JM=170℃以及V RRM下的漏电流I RRM，如这里
I RRM=50mA。

（完全没有必要再给常温下的漏电流，即常温下的功耗可以忽略）这一点应该引起我们整机厂技术人员注意，参看这里的漏电流数量级，完全没有必要去追求更小的漏电流。

5、电阻焊用二极管，主要特性就是电流特性，但反向电压对通态电流特性的提高是有影响的。

对雪崩二极管，其V RRM=V RSM大，电阻率就要高，硅片就要加厚，通流能力就相应差些。

即电压提高的设计必然导致电流特性的降低。

所以
V RRM低了不行，但高了也不好。

能够将电压水平控制在最小变化范围是器件制
造水平的体现。

所以高二、三百伏还勉强说得过去，如果高出500V，就会因小失大，请万不要采用！
二、通态特性参数通态特性参数是电阻焊机用超大电流二极管的主要参数，我们研究讨论的重点也在这里。

ABB的5SDD71X0400的通态特性参数如下：
1、正向峰值电压V FM和门槛电压V FO、斜率电阻r F。

所谓正向峰值电压V FM就是I FM所对应的电压。

依据国际标准：值可取为3[7]。

整流二极管的正向电压，一般是由构成器件的PN结电压、半导体体内电压、接触电压组成。

其函数形式有常数项、对数项、0.5次和1次幂指数项，可写成典型函数的形式：V=A+BlnI+CI0.5+DI，式中：A、B、C、D都是待定常数。

在工作点附近，可以对这样一个复杂的函数曲线做线形化近似。

如图2所示。

I M是峰值电流，一般为3I FAV，这里为I FM=10000A。

分别取0.5I FM和1.5I FM 两点，可以通过实际测试，也可以理论计算得到其对应的峰值电压，分别记为V1和V2。

有了V1和V2值则就会很方便得出所有通态特性参数了。

从图2经过简单推导[8]，就可立即方便地得出：
也可以给出平均电压的公式如下：
公式（1）到（4）中：
门槛电压V FO：所谓门槛电压V FO就是正向特性近似直线与电压轴的交点确定的正向电压值[7]。

斜率电阻r F：所谓正向斜率电阻就是由正向特性近似直线的斜率确定的电阻值[7]。

超低门槛电压和斜率电阻是超大电流整流二极管的最大特点之一。

2、正向平均电流I FAV
所谓正向平均电流是指正向电流在一个周期内的平均值[7]。

这里的正向平均电流I FAV是这样确定的。

以正向通态峰值电流I FM=10000A为中心点，在I F=5~15kA范围内的通态伏安特性曲线做直线近似而得到表中的门槛电压V FO=0.74V，斜率电阻r F=0.026 mΩ。

进一步再由额定结温T JM=170℃、规定客温T C=85℃、结壳热阻R thj-c=0.01℃/W,经计算而得到。

过程如下：
这就是ABB的I FAV=7110A的来由。

所以在角标上多了一个最大值字母M 是由焊接用二极管应用时占空比小的特殊性所决定。

按同样方法，由公式（5）（6）经迭代法可以算得：
(1)当T C=55℃，可得：I FAV=8811A。

(2)当T C=100℃，可得：I FAV=6169A。

(3)若I FAV=10000A，用类似方法可得：T C=32℃。

(4)若I FAV=3500A，用类似方法可得：T C=136℃。

这个电流刚好对应5π倍的浪涌电流能力。

文献[9]和ABB的5SDD71平均电流标称的不同就是这个原因。

图3：正弦波各电流示意图
3、正向方均根电流I FRMS
正向电流在工作频率的一个完整周期的方均根值就是正向方均根电流
I FRMS[7]。

对整流二极管，依据正向方均根电流（又称有效值电流）I FRMS和通态平均电流I FAV的关系[10]：
I FRMS=I FAV
将I FAV =7110A代入上式就得到和表中完全相同的结果：
I FRMS=11168A≈11200A。

注意到平均电流和峰值电流的关系：I FM=I FAV
则：I FM=22300A。

从表中数据可以看到，其峰值电流为：I FM=10000A。

反算回来，其正向平均电流I FAV=I FM≈3300A。

这和文献[9]的我国习惯的标称方法就一致起来，即：
当壳温T C=136℃，可近似给出I FAV =3500A。

4、正向浪涌电流I FSM和I2 t值
所谓正向浪涌电流就是一种持续时间短并规定波形的正向脉冲电流[7]。

可以将其认为是工作过程中的必然发生的故障电流，也是要限制其发生次数的过载电流。

正向浪涌电流I FSM和I2 t值，是它的不同的两种表示方式。

当然也可用曲线的形式来表征。

依据我国机械行业普通整流二极管标准，正向浪涌电流
I FSM=（4.5~6）πI FAV
取π=3，则有I FSM=（13~18）I FAV。

按普通整流二极管标准：I FSM=18I FAV，将I FSM=55000A代入得：
I FAV=3000A。

还不到7110A的一半，故说明这是一种特殊应用的二极管。

所谓I2t值就是正向浪涌电流的平方对其持续时间的积分值[7]。

即：
I2t=∫I2dt
对工频50H z，如表中所示：I FSM=55000A，这是半周期tp=10ms，将正弦半波近似为三角形，高为I2FSM，底宽为10•10-3秒的I2t值，即：I2t=0.005 I2FSM =15100kA2S
依据发热相等的原则[10]，可以计算出任意半周期下的浪涌电流I FSM值，如60赫兹下的浪涌电流的计算方法如下，运用： I2t=0.005I2FSM
由I FSM=55000A，则I2t=15125 KA2s。

按发热相等原理，当取工频60H z 时，其I2t在数值上仍相等，故仍近似有：I2t=15000 KA2s，代入工频60H z的半周期，tp=8.3ms可以得到工频60赫兹时的浪涌电流为：I FSM=60000A。

这里，对工频50Hz，IFSM=55000A，其浪涌电流是正向平均电流的倍数为：
55000/7110=7.7356，再除以π仅得：2.46倍。

表明这是一种特殊应用的二极管，即电流持续率（或曰占空比）比较小的那种应用的二极管。

按照普通整流二极管的要求，由浪涌电流I FSM=55000A，也按6π倍过载换算，则有：I FAV=2920A。

经过上面的讨论，不难理解为什么ABB公司将其标注为I FAVM=7110A，而不是I FAV=7110A了。

5、通态电压、浪涌电流、I2t的范围要求
图3是通态电压的范围，图4是浪涌电流、I2t在（3～20）ms周期内的的变化范围。

所以有图3，是因电阻焊机的出力电流要几万、十几万、几十万甚至上百万安培，故必须用很多超大电流二极管并联，为此对二极管的通态电压的范围必须要有极其相近的要求，大了不行，小了也不行。

图3的要求是必须的。

依据前面对浪涌电流、I2t的说明，不难得出在（3～20）ms周期内，即频率在（170～25）Hz的变化范围，这就是图4的由来。

1、热特性参数
热特性参数（Thermal characteristics）主要有热阻和瞬态热阻抗。

下面是
5SDD71X0400的热阻参数表。

1、温度
Tj：PN结温度。

温度范围为：-40…170℃；
Tstg ：储存温度：-40…170℃；
2、Rth：热阻即整流二极管的PN结和基准点之间的热阻[5]。

按照标准，这个基准点最好选在管壳上，其热阻就是结-壳热阻，记为：Rth(j-c) [5]。

显然：结到环境的热阻=结到壳的热阻+壳到环境的热阻，即：
Rth(j-a)=Rth(j-c)+Rth(c-a)
3、热阻既可以计算，也可以通过测试而得到。

计算公式为：
Rth=
上式中：ρi，li，si分别是第I 种材料的热阻率、厚度和面积。

将组成二极管的各种材料（如硅、铝、钼、铜等，见后面的材料参数表）的热阻率、厚度、面积分别代入，即可算得热阻。

最好是用测试方法而得到热阻值。

即分别测得阳极侧和阴极侧的热阻，再将二者并联而得到该器件的热阻。

如上面表格中的阳极侧和阴极侧的热阻均为0.02℃/W，即0.02K/KW，将二者并联得该二极管的结-壳热阻为Rth(j-c)=0.01℃/W。

4、瞬态热阻抗Zth(t)
所谓瞬态热阻抗Zth(t)就是指PN结和基准点（最好在管壳上）之间的瞬态
热阻抗[5]。

实质上，它就是一个随时间变化的热阻。

参见图2（即Fig.2）：Ri是稳态热阻，τi是时间常数。

τi=Ri•Cth，Cth是稳态热容。

Cth=，i表示为第i种材料，Vi是第i种材料的体积，Ci是第i种材料的体热容率。

以下是常用二极管芯片组成材料的相关电热学性质表[11]。

相关材料的电热学性质表
将相关材料的热阻率和体热容率代入热阻、热容公式，不难计算出图2的相关数据。

超大电流整流二极管不仅有特别低的电损耗功率，而且还必须有特别低的热损耗功率，硅片特薄、管壳特薄、接触材料和部位特考究的道理就在这里。

四、方波数n 、频率f
图5～图7表明电阻焊机工作在方波状态，且在1KHz频率附近，说明其所用的最普通的二极管都是快恢复的二极管。

方波下的各电参数间的换算关系表示如下。

由图7知；并联的两个二极管：I AV=2I AV（单）；I RMS= I RMS（单）
对方波： α=180O =π时
I AV = I M
I RMS = I AV
1、峰值电流I m=I M；
峰值电压V M=V TO+r T I M；
峰值功率P M=I M V M
=V TO I M +r T I2M。

2、导通角α；
方波平均电流I AV=（α/2π）I M；
方波方均根电流I RMS=I M；
波形因数F1=。

3、方波电流平均功率P AV= V TO I AV +F21r T I2AV
当α=π时：
P AV= V TO I AV +2r T I2AV
有了上述关于方波和正弦波的关系，结合图7，不难通过实验得到图5和图6的数据。

从图5、图6可以看出：其应用频率必须最低保证在1KHz下的有效运用，
说明其配套的超大电流二极管本身必须是快恢复的FRD整流二极管。

它一般可以工作在3KHz以下，如需再提高应用频率，如（10～30）KHz就必须采用特制的超大电流的FRD快恢复整流二极管了。

五、机械参数
关于机械参数（Mechanical），除去尺寸外，重点要关注加装压力（Mounting force）。

一定要完全符合产品规格书的压力要求。

按中心顶压，如对本规格器件，必须要保证（20～24）KN的压力（也可按除以该器件的有效导通面积换算成压强表示），否则会造成器件损坏。

许多应用厂家往往在这方面注意不够，发生不该发生的错误。

最后，还必须特殊说明，国外超大电流二极管的钼片、管壳大都已是中国江苏的产品，那么电阻焊机全部采用中国的超大电流整流二极管产品的日子还会远吗？！
主要参考文献：
[1]机械行业标准JB 8949.2-1999：电流大于100A普通整流管[S]
[2]机械行业标准JB 5837-91：ZP系列2000A以上管壳额定整流二极管[S]
[3]锦州市圣合电子科技有限公司发明专利：16000A/400 V高电流密度电阻焊机专用雪崩整流二极管[P] 专利号：ZL2009 1 0303951.5
[4]ABB产品规格书[R]：Rectifier Diode 5SDD71X0400
[5]（瑞士）林德：功率半导体器件---器件与应用[M]（第三章3.3），肖曦、李虹译，机械工业出版社，2009年2月
[6]游佩武王毅汪良恩关艳霞潘福泉：二极管雪崩电压线形正温度特性研究[J]，变频技术应用，2010第5期56页
[7]国际标准：半导体器件第二部分：整流二极管IEC60747-2[S]：2000.03
[8]高占成杨占云潘福泉：多个器件并联中的均流匹配问题[J]，变频技术应用，2009第2期18页
[9]夏吉夫郭永亮潘福泉：3500A/400V高电流密度整流二极管的设计制造
[J]，电力电子技术，2008. 12 P16
[10]秦贤满：电力半导体器件标准应用指南[M]，中国标准出版社，2000.11
[11]S.K.格安迪著：功率半导体器件---工作原理和制造工艺[M]，张光华、钟士谦译，机械工业出版社1982.9，第245页表6.4。

载于：《电力电子技术》杂志2008年12期。