快恢復(fù)二極管(簡稱FRD)是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短特點的半導(dǎo)體二極管,主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中,作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。 快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同,它屬于PIN結(jié)型二極管,即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I,構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄,反向恢復(fù)電荷很小,所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間較短,正向壓降較低,反向擊穿電壓(耐壓值)較高。
快恢復(fù)二極管是指反向恢復(fù)時間很短的二極管(5us以下),工藝上多采用摻金措施,結(jié)構(gòu)上有采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu),有的采用改進的PIN結(jié)構(gòu)。其正向壓降高于普通二極管(1-2V),反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長,后者則在100納秒以下。
肖特基二極管是以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管,簡稱肖特基二極管(Schottky Barrier Diode),具有正向壓降低(0.4--0.5V)、反向恢復(fù)時間很短(10-40納秒),而且反向漏電流較大,耐壓低,一般低于150V,多用于低電壓場合。
快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時間及參數(shù)
快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)特性決定著功率變換器的性能,在雙極功率晶體管的電流下降時間大于1us(開通時間約100ns)時期,二極管的反向恢復(fù)在雙極功率晶體管的開通過程中完成,而且雙極功率晶體管達到額定集電極電流的1/2-2/3左右后隨著Ic上升Hfe急劇下降,限制了二極管的反向恢復(fù)電流的峰值,在某種意義上,也限剬了di/dt,雙極功率晶體管的開通過程掩蓋了二極管的反向恢復(fù)特性,因而對二極管的反向恢復(fù)僅僅是反向恢復(fù)時間提出要求。
隨著功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度提高,特別是Power M0SFET、高速IGBT的出現(xiàn),不僅開通速度快(可以在數(shù)十納秒內(nèi)將MOSFET徹底導(dǎo)通或關(guān)斷),而且在額定驅(qū)動條件下,其漏極/集電極電流可以達到額定值的5-10倍,使MOS或IGBT在開通過程中產(chǎn)生高的反向恢復(fù)峰值電流IRRM,同時M0S或IGBT在開通過程結(jié)束后二極管的反向恢復(fù)過程仍然存在,使二極管的反向恢復(fù)特性完全暴露出來,高的IRRM、di/dt使開關(guān)管和快速二極管本身受到高峰值電流沖擊并產(chǎn)生較高的EMT。因而對二極管的反向恢復(fù)特性不僅僅限于反向恢復(fù)時間短,而且要求反向恢復(fù)電流峰值盡可能低,反向恢復(fù)電流的下降,上升的速率盡可能低,即超快、超軟以降低開關(guān)過程中反向恢復(fù)電流對開關(guān)電流的沖擊,減小開關(guān)過程的EMI。
1. 反向恢復(fù)參數(shù)與應(yīng)用條件
一般的超快速二極管的反向時間定義為小于100ns,高耐壓超快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時
同trr比低耐壓的長,如耐壓200V以下的超快恢復(fù)二極管的典型反向恢復(fù)時間在35ns以下,
耐壓600V的典型反向恢復(fù)時間約75ns,耐壓1000V的超快恢復(fù)二極管的典型反向恢復(fù)時間約100-160 ns。各生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品的反向恢復(fù)特性(主要是反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)峰值
電流IRRM)是不同的。
1.1 trr與If和di/dt的關(guān)系
trr與If和di/dt的關(guān)系如圖1所示:
圖1 trr與If和-di/dt的關(guān)系
從圖中可見,隨著二極管的正向電流lf的增加反向恢復(fù)時間trr隨著增加:di/dt的增加,反向恢復(fù)時間trr減小。因此,以測試小信號開關(guān)二極管的測試條件IF=IR=10ma為測試條件的反向恢復(fù)時間不能如實表現(xiàn)實際應(yīng)用情況:以固定正向電流(如1A)為測試條件也不能在實際應(yīng)用中得到客觀再現(xiàn);不同電流檔次以其額定正向電流或其1/2為測試條件則相對客觀。
1.2 反向恢復(fù)時間與反向電壓的關(guān)系
反向恢復(fù)時間隨反向電壓增加,如果600V超快恢復(fù)二極管在反向電壓為30V時,反向恢復(fù)時間為35ns,向反向電壓為350V時其反向恢復(fù)時間增加,因此,僅從產(chǎn)品選擇指南中按所給的反向恢復(fù)時間選用快速二極管,如反向電壓的測試條件不同,將導(dǎo)致實際的反向恢復(fù)時間的不同,應(yīng)盡可能的參照數(shù)據(jù)手冊中給的相對符合測試條件下的反向恢復(fù)時間為依據(jù)。
1.3 反向恢復(fù)峰值電流IRRM
反向恢復(fù)峰值電流IRRM隨-di/dt增加,因在不同-di/dt的測試條件下,IRRM的幅值是不同的。
IRRM隨反向工作電壓上升,因此額定電壓為1000V的快速二極管,在相同的-di/dt條件下,但反向工作電壓不同時(如500V與1000V)則IRRMM是不能相比較的。
1.4 結(jié)溫T的影響
反向恢復(fù)時間trr隨工作結(jié)溫上升,結(jié)溫125 時的反向恢復(fù)時間是結(jié)溫25時的近2倍。反向恢復(fù)峰值電流IRRM隨工作結(jié)溫上升,結(jié)溫125時的反向恢復(fù)峰值電流是結(jié)溫25時的近1.5倍。反向恢復(fù)電荷Orr隨工作結(jié)溫上升,結(jié)溫125時的反向恢復(fù)電荷是結(jié)濕25時的近3倍以上。
1.5 反向恢復(fù)損耗
二極管的反向恢復(fù)損耗是在反向恢復(fù)過程的后半部分t1-t2期間,其損耗的大小與IRRM和t1-t2的大小有關(guān),在人極管的反向恢復(fù)過程中,而開關(guān)管的開通損耗始終存在。很明顯,快速反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)損耗與開關(guān)管的開通損耗隨IRRM和反向恢復(fù)時時間增加。
1.6 IRRM、反向恢復(fù)損耗及EMI的減小
在實際應(yīng)用中快速反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)過程將影響電路的性能,為追求低的反向恢復(fù)時間,可能會選擇高的di/dt,但會引起高的IRRM、振鈴、電壓過沖和高的EMI并增加開關(guān)損耗。
若適當減小di/dt可降低IRRM、EMI,消除振零和電壓過沖和由此產(chǎn)生的損耗,di/dt的降低是通過降低開關(guān)管的開通速度實現(xiàn),開關(guān)管的開關(guān)損耗將增加,因此,改變di/dt不能從本質(zhì)上解決快速反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)存在的全部問題,必須改用性能更好的快速反向恢復(fù)二極管,即IRRM低、trr短、反向恢復(fù)特性軟,通過各種快速反向恢復(fù)二極管的數(shù)據(jù),可以找出性能好的快速反向恢復(fù)二極管。
2. 新型快速反向恢復(fù)二極管
近年來為減小快速反向恢復(fù)極管的反向恢復(fù)時間trr、反向恢復(fù)峰值電流lrrm和過硬的反向恢復(fù)特性,出現(xiàn)了高性能超快軟恢復(fù)二極管或稱為高頻快恢復(fù)二極管,與常規(guī)快速反向恢復(fù)二極管相比,新型超快速反向恢復(fù)二極管的實際反向恢復(fù)時間trr降低到25 ns左右,反向恢復(fù)峰值電流IRRM降低到額定正向電流的1/4或更多,反向恢復(fù)特性軟化。如圖7所示。很明顯,新型超快反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間和反向恢復(fù)峰值電流遠低于圖1器件。可減少功率變換器中的開關(guān)管和二極管的開關(guān)損耗、輸出電壓尖峰和EMI。