超快速二極管的反向恢復(fù)特性(圖)
2005/8/10 18:38:48
北京法雷德科技有限公司 供稿
陳永真
摘 要：本文簡(jiǎn)要地介紹了超快速二極的性能管對(duì)電力電子電路的影響和現(xiàn)代功率變換對(duì)超快速二極管反向恢復(fù)特性的要求,超快速二極管的反向恢復(fù)參數(shù)與使用條件的關(guān)系和一些最新超快速二極管的性能。
關(guān)鍵詞：反向恢復(fù)時(shí)間 反向恢復(fù)峰值電流
快速二極管的反向恢復(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(shí)間大于1us(開通時(shí)間約100ns)時(shí)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(dá)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，在某種意義上也限制了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(duì)二極管的反向恢復(fù)僅僅是反向恢復(fù)時(shí)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 MOSFET、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(dòng)條件下，其漏極/集電極電流可以達(dá)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(shí)MOS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EMI。因而對(duì)二極管的反向恢復(fù)特性不僅僅限于反向恢復(fù)時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)間trr比低耐壓的長(zhǎng)，如耐壓200V以下的超快恢復(fù)二極管的典型反向恢復(fù)時(shí)間在35ns以下，耐壓600V的典型反向恢復(fù)時(shí)間約75ns，耐壓1000V的超快恢復(fù)二極管的典型反向恢復(fù)時(shí)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(shí)間trr和反向恢復(fù)峰值電流IRRM）是不同的，如圖1、圖2.
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：
從圖中可見，隨著二極管的正向電流If的增加反向恢復(fù)時(shí)間trr隨著增加；di/dt的增加，反向恢復(fù)時(shí)間trr減小。因此,以測(cè)試小信號(hào)開關(guān)二極管的測(cè)試條件IF=IR=10ma為測(cè)試條件的反向恢復(fù)時(shí)間不能如實(shí)表現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用情況；以固定正向電流(如1A)為測(cè)試條件也不能在實(shí)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(cè)試條件則相對(duì)客觀。
1.2 反向恢復(fù)時(shí)間與反向電壓的關(guān)系
反向恢復(fù)時(shí)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(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間為35ns，而反向電壓為350V時(shí)其反向恢復(fù)時(shí)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(shí)間選用快速二極管，如反向電壓的測(cè)試條件不同，將導(dǎo)致實(shí)際的反向恢復(fù)時(shí)間的不同,應(yīng)盡可能的參照數(shù)據(jù)手冊(cè)中給的相對(duì)符合測(cè)試條件下的反向恢復(fù)時(shí)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，如圖2，因在不同-di/dt的測(cè)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(shí)(如500V與1000V)則IRRM是不能相比較的。
�。�4）結(jié)溫T的影響
反向恢復(fù)時(shí)間trr隨工作結(jié)溫上升,如圖3所示，結(jié)溫125時(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間是結(jié)溫25時(shí)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(shí)的反向恢復(fù)峰值電流是結(jié)溫25時(shí)的近1.5倍。反向恢復(fù)電荷Qrr隨工作結(jié)溫上升，結(jié)溫125時(shí)的反向恢復(fù)電荷是結(jié)溫25時(shí)的近3倍以上。
1.4 反向恢復(fù)損耗
超快速反向恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)損耗與二極管的反向恢復(fù)引起的開關(guān)管的開通損耗如圖4所示，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)，在二極管的反向恢復(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(shí)間增加，
1.5 IRRM、反向恢復(fù)損耗及EMI的減小
在實(shí)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(shí)間，可能會(huì)選擇高的di/dt，但會(huì)引起高的IRRM、振鈴、電壓過沖和高的EMI并增加開關(guān)損耗，如圖5所示：
若適當(dāng)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，如圖6所示：而di/dt的降低是通過降低開關(guān)管的開通速度實(shí)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。本文各圖數(shù)據(jù)均為開關(guān)性能優(yōu)良的超快速、軟恢復(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)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間trr、反向恢復(fù)峰值電流Irrm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HiPer FRED、Dyn FRED（或稱為高頻快恢復(fù)二極管High Frequency Soft Recoverry Rectifier），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(shí)際反向恢復(fù)時(shí)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(shí)間和反向恢復(fù)峰值電流遠(yuǎn)低于圖1、圖2器件�？蓽p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。
參考文獻(xiàn)：
[1] www.advancedpower.com/pressreleases/data/30d60b.pdf
[2] www.ixys.com/products/power/search/rectifier/ferd/d5.pdf
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