快速恢復外延二極管 (FRED) 特性 – 應用 – 示例

在過去的 10 年中，電源拓撲發生了根本性的變化。現在構建了各種電源，不再需要笨重的 50/60 Hz 電源變壓器。這些變壓器代表了傳統電源體積和重量的主要部分。

今天，它們已被更小、更輕的變壓器所取代，其磁芯材料現在由燒結鐵氧體而不是鐵疊片組成，工作頻率可達 250 kHz。對于相同的額定功率，高頻操作顯著降低了變壓器的重量和體積。這種發展受到新型快速開關功率晶體管（例如 MOSFETS 或 IGBT）的顯著影響，這些晶體管在高阻斷電壓 (VCES > 600 V) 下工作。

然而，幾乎所有配備這些晶體管的拓撲結構還需要超快二極管來傳導無功負載電流并在需要直流電壓時對交流輸出進行整流。必須調整這些二極管的開關行為以匹配晶體管的開關特性。

這不僅適用于開關模式電源，也適用于逆變器電路。對于這些逆變器，制造商選擇了大約 8 kHz 的 PWM 頻率來創建輸出電流的平滑正弦波形，或者使用高于 20 kHz 的 PWM 頻率以在可聽水平以上運行。

1) MOSFET = 金屬氧化物半導體場效應晶體管

2) IGBT = 絕緣柵雙極晶體管

除了晶體管開關的特性外，續流二極管的導通狀態和動態特性對整個設備的功率損耗、效率和運行安全程度都有顯著影響。在提高 SMPS 的效率和降低逆變器的損耗方面，它們也起著決定性的作用，這顯然要求使用超快二極管。此處描述的超快二極管具有現代外延二極管的所有特性，例如軟恢復、低反向恢復電流 IRM 和較短的反向恢復時間。

技術

縮寫 FRED（快速恢復外延二極管）代表一系列超快二極管，在過去幾年中獲得了廣泛的認可。有幾種方法可以控制二極管的開關特性，每種方法都會導致正向壓降 VF、阻斷電壓 VRRM 和 trr 值的不同相互依賴性。正是這些相互依賴（或妥協）使當今市場上可用的超快二極管與眾不同。圖 1 顯示了正向電壓 VF 和反向恢復時間 trr 的定性關系。二極管導通和關斷行為的最重要參數（圖 2）VFR、VF、tfr 和 IRM、trr 將受到不同制造工藝的影響。

圖 1 定性 VF – trr 相關性顯示了各種 FRED 技術的這種折衷

但如圖 1 所示，每種技術都必須在正向電壓和恢復時間之間做出自己的折衷，才能獲得令人滿意的器件。

圖 2 FRED 二極管的典型開關 I/V 波形

圖 2 顯示了二極管的典型開關周期。在正向傳導期間，n-外延層（見圖 4）的電阻率因存儲在那里的過量少數電荷（在這種情況下為空穴）而降低。當這個正向電流被換向另一個開關時，二極管不能恢復其反向阻斷能力，直到這個多余的存儲電荷被去除，這只能通過存儲的空穴與背景電子的重新組合或通過二極管的反向電流來實現。由于理想二極管的反向恢復電流為零，因此必須加速存儲電荷的復合，這是通過將復合中心引入 n-外延層來實現的。

編輯：hfy