超快速二極管的反向恢復特性(圖)

　 　
　陳永真
摘 要：本文簡要地介紹了超快速二極的性能管對電力電子電路的影響和現代功率變換對超快速二極管反向恢復特性的要求,超快速二極管的反向恢復參數與使用條件的關系和一些最新超快速二極管的性能。
　　 關鍵詞：反向恢復時間 反向恢復峰值電流
　 快速二極管的反向恢復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特性，因而對二極管的反向恢復僅僅是反向恢復時間提出要求。隨著功率半導體器件的開關速度提高，特別是Power MOSFET、高速IGBT的出現,不僅開通速度快（可以在數十納秒內將MOSFET徹底導通或關斷），而且在額定驅動條件下，其漏極/集電極電流可以達到額定值的5—10倍，使 MOS或IGBT在開通過程中產生高的反向恢復峰值電流IRRM，同時MOS或IGBT在開通過程結束后二極管的反向恢復過程仍然存在，使二極管的反向恢復特性完全暴露出來，高的IRRM、di/dt使開關管和快速二極管本身受到高峰值電流沖擊并產生較高的EMI。因而對二極管的反向恢復特性不僅僅限于反向恢復時間短，而且要求反向恢復電流峰值盡可能低，反向恢復電流的下降，上升的速率盡可能低，即超快、超軟以降低開關過程中反向恢復電流對開關電流的沖擊，減小開關過程的EMI。
　　1 反向恢復參數與應用條件
　　一般的超快速二極管的反向時間定義為小于100ns，高耐壓超快恢復二極管的反向恢復時間trr比低耐壓的長，如耐壓200V以下的超快恢復二極管的典型反向恢復時間在35ns以下，耐壓600V的典型反向恢復時間約75ns，耐壓1000V的超快恢復二極管的典型反向恢復時間約100--160 ns。各生產廠商的產品的反向恢復特性（主要是反向恢復時間trr和反向恢復峰值電流IRRM）是不同的，如圖1、圖2.
　



1.1 trr與If和di/dt的關系
　　trr與If和di/dt的關系如圖1所示：
　 　




從圖中可見，隨著二極管的正向電流If的增加反向恢復時間trr隨著增加；di/dt的增加，反向恢復時間trr減小。因此,以測試小信號開關二極管的測試條件IF=IR=10ma為測試條件的反向恢復時間不能如實表現實際應用情況；以固定正向電流(如1A)為測試條件也不能在實際應用中得到客觀再現；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 反向恢復時間與反向電壓的關系
反向恢復時間隨反向電壓增加,如果600V超快恢復二極管在反向電壓為30V時，反向恢復時間為35ns，而反向電壓為350V時其反向恢復時間增加，因此，僅從產品選擇指南中按所給的反向恢復時間選用快速二極管，如反向電壓的測試條件不同，將導致實際的反向恢復時間的不同,應盡可能的參照數據手冊中給的相對符合測試條件下的反向恢復時間為依據。
　　1.3 反向恢復峰值電流IRRM
反向恢復峰值電流IRRM隨-di/dt增加，如圖2，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IRRM是不能相比較的。
　�。�4）結溫T的影響
反向恢復時間trr隨工作結溫上升,如圖3所示，結溫125時的反向恢復時間是結溫25時的近2倍。反向恢復峰值電流IRRM隨工作結溫上升，結溫125時的反向恢復峰值電流是結溫25時的近1.5倍。反向恢復電荷Qrr隨工作結溫上升，結溫125時的反向恢復電荷是結溫25時的近3倍以上。
　　 1.4 反向恢復損耗
超快速反向恢復二極管的反向恢復損耗與二極管的反向恢復引起的開關管的開通損耗如圖4所示，二極管的反向恢復損耗是在反向恢復過程的后半部分t1—t2期間，其損耗的大小與IRRM和t1—t2的大小有關，在二極管的反向恢復過程中，而開關管的開通損耗始終存在。很明顯，快速反向恢復二極管的反向恢復損耗與開關管的開通損耗隨IRRM和反向恢復時間增加，
　　1.5 IRRM、反向恢復損耗及EMI的減小
在實際應用中快速反向恢復二極管的反向恢復過程將影響電路的性能，為追求低的反向恢復時間，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并增加開關損耗，如圖5所示：
　　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生的損耗，如圖6所示：而di/dt的降低是通過降低開關管的開通速度實現，開關管的開關損耗將增加，因此，改變di/dt不能從本質上解決快速反向恢復二極管的反向恢復存在的全部問題，必須改用性能更好的快速反向恢復二極管，即IRRM低、trr短、反向恢復特性軟，通過各種快速反向恢復二極管的數據，可以找出性能好的快速反向恢復二極管。本文各圖數據均為開關性能優良的超快速、軟恢復二極管。
　　2 新型快速反向恢復二極管
近年來為減小快速反向恢復二極管的反向恢復時間trr、反向恢復峰值電流Irrm和過硬的反向恢復特性，出現了高性能超快軟恢復二極管HiPer FRED、Dyn FRED（或稱為高頻快恢復二極管High Frequency Soft Recoverry Rectifier），與常規快速反向恢復二極管相比，新型超快速反向恢復二極管的實際反向恢復時間trr降低到25 ns左右，反向恢復峰值電流Irrm降低到額定正向電流的1/4或更多，反向恢復特性軟化。如圖7所示。很明顯，新型超快反向恢復二極管的反向恢復時間和反向恢復峰值電流遠低于圖1、圖2器件�？蓽p少功率變換器中的開關管和二極管的開關損耗、輸出電壓尖峰和EMI。
　　 參考文獻：
　　[1] www.advancedpower.com/pressreleases/data/30d60b.pdf
　　[2] www.ixys.com/products/power/search/rectifier/ferd/d5.pdf