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功率二极管种类及特征分析

作者:鹏城电路

所谓二极管-分类与特性

首先,在这里介绍用作硅功率元器件的二极管种类,及堪称硅半导体之基本的二极管最基础内容。

Si二极管的分类

考虑Si二极管的分类时,根据其用途,有几种分类方法。在这里,主要考虑用于功率转换,对Si二极管进行分类。

Si二极管大致上可分为整流二极管、齐纳二极管、高频二极管。其中,以整流为主要目的的二极管又可细分为:一般通用整流用,以开关为前提的高速整流用,用于超高速整流的快速恢复型,还有同样具有高速性和低VF特征的肖特基势垒二极管,下面将分别予以说明。

虽然作了上述分类,但原则上,Si二极管均属由阳极和阴极构成的元器件,表示其本质功能和特性的项目基本相同。那么“究竟有什么区别呢?”,答案就是“根据实际用途,使其部分电气特性达到优化”。

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二极管的电气特性

慎重起见,我们先来确认二极管的静态特性和动态特性。仔细看看下图,就无需详细说明了,但是,以下均是说明各种二极管特征时的关键词。

二极管的静态特性,基本上是指正向电压VF和正向电流IF,以及反向电压VR和反向电流IR

右图中橙色虚线区表示利用整流二极管的区域。具体而言,就是指正向可作业的IF范围,以及反向击穿电压以内的区域。

顺便说一下,绿色虚线区虽非本章的阐述对象,但属于使用齐纳二极管区域。通常的二极管并不使用该区,如果IR无限制地进入该区,可能会导致元器件破损。

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二极管的动态特性主要有反向恢复时间trr和电容Ct。

trr是指从正向施加电压正向电流IF流动的状态,到电压反向变化时流动的反向电流IR恢复至稳定状态(基本为零)所需的时间。如右图所示,一旦从IF流动的导通状态变为关断状态,在理想状态下,正向电流IF即刻为零。然而,实际上,反向电流IR越过零值,瞬间流过,trr也随之恢复为零。trr越短,特性越好。

电容Ct是指二极管自身的容值,带来与电容器相同的效果。如右图所示,二极管导通、关断之际,电容Ct越大,俗称的波形就越大,有时,由于时间常数的原因,直至施加电压为止方才进入关断动作,往往会引发故障。在高速开关电路中,最好采用Ct较小的二极管。

最后将主要的最大额定和电气特性汇总如下。

功率二极管种类及特征分析
功率二极管种类及特征分析

最大额定是指描述的连续及瞬间施加电压、电流和温度条件。

关于“瞬间的”的定义,请参考技术规格内的相关描述,如果无明确描述,需要向制造商确认。

本篇开始部分的内容虽为基础中的基础,但在考虑各种二极管的特性和用途时,必须加以充分理解。此时,在实际选择二极管时,也应再三斟酌上述参数。

所谓二极管-整流二极管的特征比较

本篇所例举的是用于高耐压、高电流的二极管,但按照其特性、特征、制造工艺可进行以下分类。此时,对二极管基本的应用条件而言,特性和性能已优化。

整流二极管的特征比较

在这里,将整流二极管分为以下4类:通用整流用、通用开关用、肖特基势垒二极管、快速恢复二极管4种类型,特征汇总于下表。

类型 特征 VF IR trr 价格 适合应用
整流 通用 × ×

一般整流

电源的反接保护

开关 开关用 ×

单纯的开关用

微控制器外围开关

肖特基势垒

SBD

高速(~200V)

低VF

× ×

DC/DC转换器

AC/DC转换器(二次侧)

快速恢复

FRD

高速(~200V) × ×

AC/DC转换器

逆变器电路

通用型一般用于整流,主要目的是将交流整流为直流。桥式二极管是整流用的二极管组合。另外,用于无意中电源或电池反接时,保护用于防止过电流流过。正向电压VF因工作电流而异,1V左右为标准。这是硅PN结二极管的普通VF。反向恢复时间trr是以50Hz/60Hz的商用电源的整流为前提,以不是特别快的为标准。

开关型,用途如其字面所示,主要用于电源的切换。VF标准与通用型相同。因为以开关用途为目的,所以trr比通用型更快。但是,还达不到肖特基势垒二极管或快速恢复二极管的速度,其开关特性仅定位于比通用型快。

肖特基势垒二极管(SBD)不是PN结,而是利用金属和半导体如N型硅的形成肖特基势垒(Barrier)。与PN结二极管相比,肖特基势垒二极管(SBD)具有VF更低,开关特性更快的特征。但是,其反向漏电流IR较大,在某些条件下会导致热失控,务请注意。即使流经高达诸如10A的大电流,VF值也大约为0.8V;如果流经几A的电流,VF值大约为0.5V。因此,其典型用途就是用于追求高效的DC/DC转换器或AC/DC转换器的二次侧。

快速恢复二极管(FRD)虽是PN结二极管,但却是trr得以大幅改善的高速二极管。此时,SBD的耐压(反向电流VR)在200V以下,但FRD能达到800V高耐压。但是,一般而言,其VF比通用型高,如果是高耐压大电流规格,标准值大约为2V,但近年来,VF值降低的型号也有增加。因其高耐压和高速性,所以多用于AC/DC转换器或逆变器电路。

下图是上述内容的图解。此时,并非仅限于上述四种类型,同时也表示了Si二极管的基本温度特性。

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再重复一遍,左图表示SBD与其他三种二极管相比,VF较低,IR较大。

中间图是将SBD与FRD之外的两种二极管相比,其trr快很多,trr间流动的正向电流IR越大,损耗越大。

右图是表示Si二极管的基本温度特性,高温状态时,VF下降,IR增加。

后面会对SBD稍作详细说明。

所谓二极管-肖特基势垒二极管的特征

再次谈及Si二极管,将说明肖特基势垒二极管(以下简称为SBD)的相关特征和应用。

Si-SBD的特征

如前文所述,Si-SBD并非PN结,而是利用硅称之为势垒金属的金属相接合(肖特基接合)所产生的肖特基势垒。Si-SBD的特性因势垒金属的种类而异。而且,其特性的不同,应用方向也不同。下表汇总了势垒金属的特征及其适合的应用。表中凡标有“×”的项目,请理解为:其与其他项目相比,特性较差、不适合。

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典型的势垒金属有钛、钼、铂。

使用钛的SBD具有VF非常低的特征,但反向漏电流IR却比其他的高。因此,发热多,不适用于环境温度高的条件。后文还将详细说明,其存在容易导致热失控的倾向。就应用而言,因为其VF较小,导通损耗少,电压下降较小,所以适合用于电池驱动电路。

使用钼的SBD,属于VF和IR平衡型,多使用于DC/DC转换器电路。

使用铂的SBD,IR非常小,发热小,所以最适用于高温环境条件下使用。由此可见,是车载设备应用的首选。

其他的二极管均系通用的PN结整流二极管。IR较小,大多数应用场合均可忽略不计。与此相反,Si-SBD却存在不可忽视的反向电流IR。这就是在使用Si-SBD之际必须考虑的关键要点。

接着,下面图表中用“○”或“△”具体表示各种SBD的特性。例如,钛SBD的VF非常低,但IR较大。

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Si-SBD的热失控

在这里说明,就使用Si-SBD之际关于热失控的重点研讨事项。热失控是由于发热引发二极管的Tj超过最大额定值,严重时可能会导致某种破坏性结果。如前所述,切勿忽视因Si-SBD的IR损耗。发热是IR和VR(反向电压)的积,即漏电流产生的反向功率损耗乘以热阻之积。与普通的热计算公式相同。因此,IR较大的钛SBD最为不利。此时,IR有随着VR增高也增高的倾向,并有伴随温度上升,而増加的正相关温度特性(请参考前篇说明)。因自身发热(或者周围温度上升)引发Tj上升,IR増加,进而发热加剧IR増加,从而导致失控状态。当然,这属于发热量大于散热量这一条件因素的话题。

为了防止热失控,即使存在因各种条件而导致发热,也必须进行使其充分散热的热设计。以下是有关热失控的关键要点。

  • 起因于IR的发热,引发热失控,导致二极管破损。
  • 必须进行充分的热计算、散热设计,以实现发热量<散热量。
  • Tj不准超过Tj max:Tj = Ta+发热
  • 发热 = 热阻(θja)×电流(IR)×电压(VR)
  • 散热程度因封装、安装PCB板、周围环境等因素而异,必须认真验证。

依据VF和IR的应用示意图

最后是适合二极管特性及其适合应用示意图,设计时仅供参考。

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所谓二极管-快速恢复二极管的特征

最后一篇谈及Si二极管。本篇将说明快速恢复二极管(以下简称为FRD)的特征、改善特性及其相关应用。

Si-FRD的特征

Si-FRD是PN结二极管,具有高速性特征,Trr极快。与此相反,就一般特征而言是VF高。例如,在示意图中,通用10A级别的VF不到2V。这是因为Trr的高速性与VF之间有需要权衡的关系。然而,开发出VF值大幅度降低的型号,实际时可根据应用来选择最适合的Si-FRD。

下表总结了Si-FRD的特征及其适合的应用。表中凡标有“×”的项目,请理解为:其与其他项目相比,特性较差、不适合。

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超高速型的VF较高,IR却较低,所以,最适用于连续模式的PFC(改善功率因数),损耗较少。

高速与低VF的平衡型有非常高的通用性,利用FRD的高速性适用于各种应用。

超低VF型的虽然IR特性较为逊色,但其低VF能降低导通损耗,适用于峰值电流大的临界模式PFC。

此时,下面图表显示VF和Trr之间的权衡关系。橙色线表示VF较低,Trr稍长,但VF与Trr之间的IR也较大,是该FRD的特性。红色线的特性与其相反。可见存在一种关系,如果是高速型,那么VF就高,如果是低VF型,那么Trr/IR就大。

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Si-FRD的噪声

从EMC的角度来看,以开关电源为主的开关所引发的噪声是重要的研讨事项。Si-FRD的Trr较为高速,故而在反向恢复时,Trr时间内会产生噪声。下图是反向恢复时的噪声以及改善后的示意图。IRp表示FRD关断时的反向电流峰值。并用dir/dt表示恢复的倾斜度/急峻度。如能降低Irp,并使dir/dt平稳,就能使反向恢复时的噪声变小。

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实际上,已成功开发出称之为“软恢复”型的低噪声Si-FRD。在这里,就该项研究稍稍加以说明。

为了降低Irp,并使恢复时的倾斜度dir/dt趋缓,必须分别采取改善对策。最初,为了降低IRp,降低了P型硅(阳极)的杂质浓度。仍然存在问题,虽然漏电流减少,降低了IRp,但是,dir/dt依然急峻,仍然残存噪声,还有VF上升的新课题要权衡处理。

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其次,为了缓和倾斜度,采用了称之为寿命杀手的铂(Pt)扩散,缩短了寿命,成功地实现dir/dt软恢复。这里的“寿命”是指,在PN结关断/反向偏置时的少数载流子再结合,在恢复的时间内,如果时间长,残留的载流子会导致电流流经的现象。寿命杀手会加速再结合,从而缩短寿命。一般而言,寿命杀手会扩散杂质。这种时就采用Pt(铂)。

这就涉及到制造工艺了,若非熟悉领域很难全面展开,但是,以这两个方法为基础,最终实现了Trr和VF的特性基本保持不变,却能大幅度抑制反向恢复噪声的Si-FRD。下图所示为软恢复型(红色)与标准型(蓝色)的实际波形比较示意图。明显可见,软恢复型的噪声非常低。

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根据Si-FRD的Trr和VF的应用示意图

最后表示依据Si-FRD的特性及其适合应用的示意图,设计时仅供参考。如上所述,Trr高速型的VF值较高,而VF值低的Trr较慢,应基于这一基本倾向,选择最佳的应用特性。

再提一下PFC的话题,BCM(临界模式)的VF值越低越好,CCM(连续模式)的Trr值越快越好,这有助于降低各自的损耗。

此时,不仅降低噪声,而且VF与Trr的权衡达到最优化的类型,其可制成的应用非常广泛。

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