電力ダイオードとは何か

パワーダイオードとは何ですか？

パワー・ダイオード

パワー・ダイオードは、パワーエレクトロニクス回路で使用され、通常のダイオードよりも高い電流を扱うことができるダイオードです。二つの端子を持ち、一方向に電流を通し、高電力用途に設計された構造を持っています。

パワー・ダイオードをよりよく理解するためには、標準的なダイオードの動作を見直すことが役立ちます。ダイオードは、二層構造と二つの端子、そして一つの接合部を持つ最も単純な半導体素子として定義されます。

一般的な信号ダイオードは、P型半導体とN型半導体によって形成された接合部を持っています。P型に接続されるリードがアノードと呼ばれ、N型に接続されるリードがカソードと呼ばれます。

以下の図は、一般的なダイオードの構造とその記号を示しています。

パワー・ダイオードも通常のダイオードと同様ですが、構造が少し異なります。

通常のダイオード（信号ダイオードとも呼ばれる）では、P側とN側のドーピングレベルは同じであり、PN接合が形成されますが、パワー・ダイオードでは、重くドーピングされたPと軽くドーピングされたN+（これは重くドーピングされたN層上にエピタキシャル成長させた層）の間に接合部が形成されます。そのため、下図のような構造になります。

N- 層は、パワー・ダイオードが高電力用途に適している主要な特徴です。この層は非常に軽くドーピングされており、ほとんど本質的であり、このデバイスはPINダイオードとしても知られています。ここでiは本質的なことを意味します。

上記の図から、空間電荷領域のネット電荷の中立性は信号ダイオードの場合と同じように維持されていますが、空間電荷領域の厚さは非常に高く、深くN- 領域に浸透しています。

これは、その軽いドーピング濃度によるものです。ドーピング濃度が低いほど、空間電荷領域の厚さが増加することが知られています。

この空間電荷領域の厚さの増加により、ダイオードはより大きな逆偏圧をブロックでき、それによりより高い耐圧特性を持つことができます。

しかし、このN- 層の追加により、ダイオードのオーム抵抗が大幅に増加し、順方向導通状態での発熱量が増加します。したがって、パワー・ダイオードは、適切な熱放出のためにさまざまなマウントが付属しています。

N- 層の重要性

パワー・ダイオードのN- 層は軽くドーピングされており、空間電荷領域の厚さを増やし、高い逆偏圧を可能にします。

V-I 特性

以下の図は、パワー・ダイオードのV-I特性を示しており、信号ダイオードのものとほぼ同じです。

信号ダイオードでは、順方向バイアス領域において電流は指数関数的に増加しますが、パワー・ダイオードでは、高い順方向電流によりオーム損失が大きくなり、指数関数的な増加が抑制され、曲線はほぼ直線的に増加します。

ダイオードが耐えられる最大逆電圧はVRRM、つまりピーク逆反復電圧で示されます。

この電圧を超えると、逆電流が急激に増大し、ダイオードはこのような大量の熱を放出するように設計されていないため、破壊される可能性があります。この電圧はピーク逆電圧（PIV）とも呼ばれます。

逆回復時間

以下の図は、パワー・ダイオードの逆回復特性を示しています。ダイオードがオフになると、電流はIFからゼロまで減少し、さらに空間電荷領域と半導体領域に蓄積された電荷により逆方向に続きます。

この逆電流はピークIRRに達し、再びゼロに向かって減少し、最終的にtrrの時間後にダイオードはオフになります。

この時間は逆回復時間と呼ばれ、順方向電流がゼロになった瞬間から逆電流がIRRの25%まで減少するまでの時間として定義されます。この時間以降、ダイオードは逆方向ブロック能力を持つとされます。

ソフトネス因子

パワー・ダイオードのソフトネス因子は、半導体および枯渇領域からの電荷除去時間の比であり、オフ時に生じる電圧変動を示します。