關(guān)于大電流整流二極管，我國已有兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是最大正向平均電流僅為IFAV=1600A[3] ，另一個(gè)是最大正向平均電流IFAV3000A[2]。而我們這里解析的最小容量已為IFAV=7100A，而最大的已達(dá)IFAV=16000A[1] ，故稱謂超大電流整流二極管。這類器件由于主要用于新型電阻焊機(jī)整流，故又稱電阻焊機(jī)用超大電流整流二極。

　　直徑ф48/7100A整流二極管是容量最小的超大電流二極管。把這個(gè)器件的參數(shù)研究解析明白了，其它各種規(guī)格超大電流二極管（如12000A、13500A、16000A）的電、熱參數(shù)就都迎刃而解了。

　　超大電流整流二極管是ABB、EUPEC等領(lǐng)先研發(fā)生產(chǎn)的，故這里就以ABB應(yīng)用最廣的5SDD71X0400的參數(shù)規(guī)格書[4]做實(shí)例加以說明，這也是對(duì)客戶要求的響應(yīng)。

　　一、阻斷特性（Blocking即阻斷特性參數(shù)）

　　ABB的5SDD71X0400的阻斷特性參數(shù)如下：

　　解析：

　　1、VRRM是反向重復(fù)峰值電壓，即最高允許工作電壓。一般電阻焊機(jī)用二極管的反向重復(fù)峰值電壓VRRM，大都是200V，個(gè)別有400V。就是說，這是一個(gè)低電壓范圍內(nèi)的超大電流（幾萬~幾十萬安培）的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2、VRRM是反向不重復(fù)峰值電壓，往往是指轉(zhuǎn)折電壓。站在測(cè)試的角度，在這一點(diǎn)不允許停留時(shí)間長，故稱不重復(fù)；站在應(yīng)用的角度，加在二極管上的電壓是萬萬不可超過VRRM，故都打有很大余量。（見圖1）它和反向重復(fù)峰值電壓VRRM數(shù)值上的定量關(guān)系為：VRRM=VRRM-100V（或VRRM乘0.8、或乘0.9）。 這里用： VRRM=VRRM-50V。 對(duì)電阻焊機(jī)，50V的余量已足夠。

　　3、站在高可靠的角度，還應(yīng)將二極管做成雪崩二極管[5]，即必須測(cè)定轉(zhuǎn)折時(shí)的瞬時(shí)脈沖方波最大電流Ippm[6]。如是，則將二極管置于高可靠狀態(tài)。此時(shí)有：VRRM=VRSM。注意到雪崩VRRM=VRSM隨溫度升高而增大，并滿足線形正溫度特性。如果焊接時(shí)將二極管都做成雪崩二極管，因其箝位作用，就能嚴(yán)格避免過電壓了。

　　4、反向重復(fù)峰值電流IRRM，即所謂的漏電流，給出額定結(jié)溫下的漏電流就足夠了，這里僅給出額定結(jié)溫TJM=170℃以及VRRM下的漏電流IRRM，如這里IRRM=50mA。（完全沒有必要再給常溫下的漏電流，即常溫下的功耗可以忽略）這一點(diǎn)應(yīng)該引起我們整機(jī)廠技術(shù)人員注意，參看這里的漏電流數(shù)量級(jí)，完全沒有必要去追求更小的漏電流。

　　5、電阻焊用二極管，主要特性就是電流特性，但反向電壓對(duì)通態(tài)電流特性的提高是有影響的。對(duì)雪崩二極管，其VRRM=VRSM大，電阻率就要高，硅片就要加厚，通流能力就相應(yīng)差些。即電壓提高的設(shè)計(jì)必然導(dǎo)致電流特性的降低。所以VRRM低了不行，但高了也不好。能夠?qū)㈦妷核娇刂圃谧钚∽兓秶瞧骷圃焖降捏w現(xiàn)。所以高二、三百伏還勉強(qiáng)說得過去，如果高出500V，就會(huì)因小失大，請(qǐng)萬不要采用！

　　二、 通態(tài)特性參數(shù) 通態(tài)特性參數(shù)是電阻焊機(jī)用超大電流二極管的主要參數(shù)，我們研究討論的重點(diǎn)也在這里。

　　ABB的5SDD71X0400的通態(tài)特性參數(shù)如下：

　　1、正向峰值電壓VFM和門檻電壓VFO、斜率電阻rF。所謂正向峰值電壓VFM就是IFM所對(duì)應(yīng)的電壓。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)：值可取為3[7]。

　　整流二極管的正向電壓， 一般是由構(gòu)成器件的PN結(jié) 電壓、半導(dǎo)體體內(nèi)電壓、接觸電壓組成。其函數(shù)形式有常數(shù)項(xiàng)、對(duì)數(shù)項(xiàng)、0.5次和1次冪指數(shù)項(xiàng)，可寫成典型函數(shù)的形式： V=A+BlnI+CI0.5+DI，式中：A、B、C、D都是待定常數(shù)。在工作點(diǎn)附近，可以對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)曲線做線形化近似。如圖2所示。

　　IM是峰值電流，一般為3IFAV，這里為IFM=10000A。分別取0.5IFM和1.5IFM兩點(diǎn)，可以通過實(shí)際測(cè)試，也可以理論計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的峰值電壓，分別記為V1和V2。有了V1和V2值則就會(huì)很方便得出所有通態(tài)特性參數(shù)了。

　　從圖2經(jīng)過簡單推導(dǎo)[8]，就可立即方便地得出：

　　也可以給出平均電壓的公式如下：

　　公式（1）到（4）中：

　　門檻電壓VFO：所謂門檻電壓VFO就是正向特性近似直線與電壓軸的交點(diǎn)確定的正向電壓值[7]。

　　斜率電阻rF：所謂正向斜率電阻就是由正向特性近似直線的斜率確定的電阻值[7]。

　　超低門檻電壓和斜率電阻是超大電流整流二極管的最大特點(diǎn)之一。

　　2、正向平均電流IFAV

　　所謂正向平均電流是指正向電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值[7]。這里的正向平均電流IFAV是這樣確定的。

　　以正向通態(tài)峰值電流IFM=10000A為中心點(diǎn)，在IF=5~15kA范圍內(nèi)的通態(tài)伏安特性曲線做直線近似而得到表中的門檻電壓VFO=0.74V，斜率電阻rF=0.026 mΩ。進(jìn)一步再由額定結(jié)溫TJM=170℃、規(guī)定客溫TC=85℃、結(jié)殼熱阻Rthj-c=0.01℃/W,經(jīng)計(jì)算而得到。過程如下：

　　這就是ABB的IFAV=7110A的來由。所以在角標(biāo)上多了一個(gè)最大值字母M是由焊接用二極管應(yīng)用時(shí)占空比小的特殊性所決定。 按同樣方法，由公式（5）（6）經(jīng)迭代法可以算得：

　　(1)當(dāng)TC=55℃，可得：IFAV=8811A。

　　(2)當(dāng)TC=100℃，可得：IFAV=6169A。

　　(3)若IFAV=10000A，用類似方法可得：TC=32℃。

　　(4)若IFAV=3500A，用類似方法可得：TC=136℃。

　　這個(gè)電流剛好對(duì)應(yīng)5π倍的浪涌電流能力。文獻(xiàn)[9]和ABB的5SDD71平均電流標(biāo)稱的不同就是這個(gè)原因。

　　圖3：正弦波各電流示意圖

　　3、正向方均根電流IFRMS

　　正向電流在工作頻率的一個(gè)完整周期的方均根值就是正向方均根電流IFRMS[7]。對(duì)整流二極管，依據(jù)正向方均根電流（又稱有效值電流）IFRMS和通態(tài)平均電流IFAV的關(guān)系[10]：

　　IFRMS=IFAV

　　將IFAV =7110A代入上式就得到和表中完全相同的結(jié)果：

　　IFRMS=11168A≈11200A。

　　注意到平均電流和峰值電流的關(guān)系：IFM=IFAV

　　則：IFM=22300A。

　　從表中數(shù)據(jù)可以看到，其峰值電流為：IFM=10000A。反算回來，其正向平均電流IFAV=IFM≈3300A。這和文獻(xiàn)[9] 的我國習(xí)慣的標(biāo)稱方法就一致起來，即：當(dāng)殼溫TC=136℃，可近似給出IFAV =3500A。

　　4、正向浪涌電流IFSM和I2 t值

　　所謂正向浪涌電流就是一種持續(xù)時(shí)間短并規(guī)定波形的正向脈沖電流[7]。可以將其認(rèn)為是工作過程中的必然發(fā)生的故障電流，也是要限制其發(fā)生次數(shù)的過載電流。正向浪涌電流IFSM和I2 t值，是它的不同的兩種表示方式。當(dāng)然也可用曲線的形式來表征。

　　依據(jù)我國機(jī)械行業(yè)普通整流二極管標(biāo)準(zhǔn)，正向浪涌電流

　　IFSM=（4.5~6）πIFAV

　　取π=3，則有IFSM=（13~18）IFAV。

　　按普通整流二極管標(biāo)準(zhǔn)：IFSM=18IFAV，將IFSM=55000A代入得：

　　IFAV=3000A。還不到7110A的一半，故說明這是一種特殊應(yīng)用的二極管。

　　所謂I2t值就是正向浪涌電流的平方對(duì)其持續(xù)時(shí)間的積分值[7]。即：

　　I2t=∫I2dt

　　對(duì)工頻50H z，如表中所示：IFSM=55000A，這是半周期tp=10ms，將正弦半波近似為三角形，高為I2FSM，底寬為10•10-3秒的I2t值，即：

　　I2t=0.005 I2FSM =15100kA2S

　　依據(jù)發(fā)熱相等的原則[10]，可以計(jì)算出任意半周期下的浪涌電流IFSM值，如60赫茲下的浪涌電流的計(jì)算方法如下，運(yùn)用： 　　I2t=0.005I2FSM

　　由IFSM=55000A，則I2t=15125 KA2s。

　　按發(fā)熱相等原理，當(dāng)取工頻60H z 時(shí)，其I2t在數(shù)值上仍相等，故仍近似有：I2t=15000 KA2s，代入工頻60H z的半周期，tp=8.3ms可以得到工頻60赫茲時(shí)的浪涌電流為：IFSM=60000A。

　　這里，對(duì)工頻50Hz，IFSM=55000A，其浪涌電流是正向平均電流的倍數(shù)為：55000/7110=7.7356，再除以π僅得：2.46倍。表明這是一種特殊應(yīng)用的二極管，即電流持續(xù)率（或曰占空比）比較小的那種應(yīng)用的二極管。

　　按照普通整流二極管的要求，由浪涌電流IFSM=55000A，也按6π倍過載換算，則有：IFAV=2920A。

　　經(jīng)過上面的討論，不難理解為什么ABB公司將其標(biāo)注為IFAVM=7110A，而不是IFAV=7110A了。

　　5、通態(tài)電壓、浪涌電流、I2t的范圍要求

　　圖3是通態(tài)電壓的范圍，圖4是浪涌電流、I2t在（3～20）ms周期內(nèi)的的變化范圍。

　　所以有圖3，是因電阻焊機(jī)的出力電流要幾萬、十幾萬、幾十萬甚至上百萬安培，故必須用很多超大電流二極管并聯(lián)，為此對(duì)二極管的通態(tài)電壓的范圍必須要有極其相近的要求，大了不行，小了也不行。圖3的要求是必須的。

　　依據(jù)前面對(duì)浪涌電流、I2t的說明，不難得出在（3～20）ms周期內(nèi)，即頻率在（170～25）Hz的變化范圍，這就是圖4的由來。

　　1、熱特性參數(shù)

　　熱特性參數(shù)（Thermal characteristics）主要有熱阻和瞬態(tài)熱阻抗。下面是5SDD71X0400的熱阻參數(shù)表。

　　1、溫度

　　Tj：PN結(jié)溫度。溫度范圍為：-40…170℃；

　　Tstg ：儲(chǔ)存溫度：-40…170℃；

　　2、Rth：熱阻即整流二極管的PN結(jié)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的熱阻[5]。按照標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)最好選在管殼上，其熱阻就是結(jié)-殼熱阻，記為：Rth(j-c) [5]。顯然：

　　結(jié)到環(huán)境的熱阻=結(jié)到殼的熱阻+殼到環(huán)境的熱阻，即：

　　Rth(j-a)=Rth(j-c)+Rth(c-a)

　　3、熱阻既可以計(jì)算，也可以通過測(cè)試而得到。計(jì)算公式為：

　　Rth=

　　上式中：ρi，li，si分別是第I 種材料的熱阻率、厚度和面積。將組成二極管的各種材料（如硅、鋁、鉬、銅等，見后面的材料參數(shù)表）的熱阻率、厚度、面積分別代入，即可算得熱阻。

　　最好是用測(cè)試方法而得到熱阻值。即分別測(cè)得陽極側(cè)和陰極側(cè)的熱阻，再將二者并聯(lián)而得到該器件的熱阻。如上面表格中的陽極側(cè)和陰極側(cè)的熱阻均為0.02℃/W，即0.02K/KW，將二者并聯(lián)得該二極管的結(jié)-殼熱阻為Rth(j-c)=0.01℃/W。

　　4、瞬態(tài)熱阻抗Zth(t)

　　所謂瞬態(tài)熱阻抗Zth(t)就是指PN結(jié)和基準(zhǔn)點(diǎn)（最好在管殼上）之間的瞬態(tài)熱阻抗[5]。實(shí)質(zhì)上，它就是一個(gè)隨時(shí)間變化的熱阻。

　　參見圖2（即Fig.2）：Ri是穩(wěn)態(tài)熱阻，τi是時(shí)間常數(shù)。

　　τi=Ri•Cth，Cth是穩(wěn)態(tài)熱容。Cth=，i表示為第i種材料，Vi是第i種材料的體積，Ci是第i種材料的體熱容率。

　　以下是常用二極管芯片組成材料的相關(guān)電熱學(xué)性質(zhì)表[11]。

　　相關(guān)材料的電熱學(xué)性質(zhì)表

　　材料

　　熱阻率

　　(℃·cm /W)

　　體熱容率(W·s/℃·cm 3)

　　Si

　　0.69

　　1.75

　　Mo

　　0.66

　　2.75

　　W

　　0.6

　　2.75

　　Al

　　0.43

　　2.6

　　Au

　　0.34

　　2.5

　　Cu

　　0.26

　　3.37

　　將相關(guān)材料的熱阻率和體熱容率代入熱阻、熱容公式，不難計(jì)算出圖2的相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　超大電流整流二極管不僅有特別低的電損耗功率，而且還必須有特別低的熱損耗功率，硅片特薄、管殼特薄、接觸材料和部位特考究的道理就在這里。

　　四、 方波數(shù)n 、頻率f

　　圖5～圖7表明電阻焊機(jī)工作在方波狀態(tài)，且在1KHz頻率附近，說明其所用的最普通的二極管都是快恢復(fù)的二極管。 方波下的各電參數(shù)間的換算關(guān)系表示如下。

　　由圖7知； 并聯(lián)的兩個(gè)二極管： IAV=2IAV（單） ；IRMS= IRMS（單）

　　對(duì)方波：α=180O=π時(shí)

　　　　　　IAV= IM

　　　　　　IRMS= IAV

　　1、峰值電流Im=IM；

　　　峰值電壓VM=VTO+rTIM；

　　　峰值功率PM=IMVM

　　　　　　　　=VTO IM +rTI2M。

　　2、導(dǎo)通角α；

　　方波平均電流IAV=（α/2π）IM；

　　方波方均根電流IRMS=IM；

　　波形因數(shù)F1=。

　　3、方波電流平均功率PAV= VTO IAV +F21rTI2AV

　　當(dāng)α=π時(shí)：

　　PAV= VTO IAV +2rTI2AV

　　有了上述關(guān)于方波和正弦波的關(guān)系，結(jié)合圖7，不難通過實(shí)驗(yàn)得到圖5和圖6的數(shù)據(jù)。

　　從圖5、圖6可以看出：其應(yīng)用頻率必須最低保證在1KHz下的有效運(yùn)用，說明其配套的超大電流二極管本身必須是快恢復(fù)的FRD整流二極管。它一般可以工作在3KHz以下，如需再提高應(yīng)用頻率，如（10～30）KHz就必須采用特制的超大電流的FRD快恢復(fù)整流二極管了。

　　五、機(jī)械參數(shù)

　　關(guān)于機(jī)械參數(shù)（Mechanical），除去尺寸外，重點(diǎn)要關(guān)注加裝壓力（Mounting force）。一定要完全符合產(chǎn)品規(guī)格書的壓力要求。按中心頂壓，如對(duì)本規(guī)格器件，必須要保證（20～24）KN的壓力（也可按除以該器件的有效導(dǎo)通面積換算成壓強(qiáng)表示），否則會(huì)造成器件損壞。許多應(yīng)用廠家往往在這方面注意不夠，發(fā)生不該發(fā)生的錯(cuò)誤。

　　最后，還必須特殊說明，國外超大電流二極管的鉬片、管殼大都已是中國江蘇的產(chǎn)品，那么電阻焊機(jī)全部采用中國的超大電流整流二極管產(chǎn)品的日子還會(huì)遠(yuǎn)嗎？！

　　主要參考文獻(xiàn)：

　　[1]機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 8949.2-1999：電流大于100A普通整流管[S]

　　[2]機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 5837-91：ZP系列2000A以上管殼額定整流二極管[S]

　　[3]錦州市圣合電子科技有限公司發(fā)明專利：16000A/400 V高電流密度電阻焊機(jī)專用雪崩整流二極管[P] 專利號(hào)：ZL2009 1 0303951.5

　　[4]ABB產(chǎn)品規(guī)格書[R]：Rectifier Diode 5SDD71X0400

　　[5]（瑞士）林德：功率半導(dǎo)體器件---器件與應(yīng)用 [M]（第三章3.3），肖曦、李虹譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2009年2月

　　[6]游佩武 王毅 汪良恩 關(guān)艷霞 潘福泉：二極管雪崩電壓線形正溫度特性研究[J]，變頻技術(shù)應(yīng)用，2010第5期56頁

　　[7]國際標(biāo)準(zhǔn)：半導(dǎo)體器件第二部分：整流二極管IEC60747-2[S]：2000.03

　　[8]高占成 楊占云 潘福泉：多個(gè)器件并聯(lián)中的均流匹配問題[J]，變頻技術(shù)應(yīng)用，2009第2期18頁

　　[9]夏吉夫 郭永亮 潘福泉：3500A/400V高電流密度整流二極管的設(shè)計(jì)制造[J]，電力電子技術(shù)，2008. 12 P16

　　[10]秦賢滿：電力半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南[M]，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.11

　　[11]S.K.格安迪著：功率半導(dǎo)體器件---工作原理和制造工藝[M]，張光華、鐘士謙譯，機(jī)械工業(yè)出版社 1982.9，第245頁表6.4。