超快速二极管的反向恢复特性(图)
2005/8/10 18:38:48
北京法雷德科技有限公司 供稿
陈永真
摘 要：本文简要地介绍了超快速二极的性能管对电力电子电路的影响和现代功率变换对超快速二极管反向恢复特性的要求,超快速二极管的反向恢复参数与使用条件的关系和一些最新超快速二极管的性能。
关键词：反向恢复时间 反向恢复峰值电流
快速二极管的反向恢复特性决定着功率变换器的性能，在双极功率晶体管的电流下降时间大于1us(开通时间约100ns)时期，二极管的反向恢复在双极功率晶体管的开通过程中完成，而且双极功率晶体管达到额定集电极电流的1/2—2/3左右后随着Ic上升Hfe急剧下降，限制了二极管的反向恢复电流的峰值，在某种意义上也限制了di/dt，双极功率晶体管的开通过程掩盖了二极管的反向恢复特性，因而对二极管的反向恢复仅仅是反向恢复时间提出要求。随着功率半导体器件的开关速度提高，特别是Power MOSFET、高速IGBT的出现,不仅开通速度快（可以在数十纳秒内将MOSFET彻底导通或关断），而且在额定驱动条件下，其漏极/集电极电流可以达到额定值的5—10倍，使 MOS或IGBT在开通过程中产生高的反向恢复峰值电流IRRM，同时MOS或IGBT在开通过程结束后二极管的反向恢复过程仍然存在，使二极管的反向恢复特性完全暴露出来，高的IRRM、di/dt使开关管和快速二极管本身受到高峰值电流冲击并产生较高的EMI。因而对二极管的反向恢复特性不仅仅限于反向恢复时间短，而且要求反向恢复电流峰值尽可能低，反向恢复电流的下降，上升的速率尽可能低，即超快、超软以降低开关过程中反向恢复电流对开关电流的冲击，减小开关过程的EMI。
1 反向恢复参数与应用条件
一般的超快速二极管的反向时间定义为小于100ns，高耐压超快恢复二极管的反向恢复时间trr比低耐压的长，如耐压200V以下的超快恢复二极管的典型反向恢复时间在35ns以下，耐压600V的典型反向恢复时间约75ns，耐压1000V的超快恢复二极管的典型反向恢复时间约100--160 ns。各生产厂商的产品的反向恢复特性（主要是反向恢复时间trr和反向恢复峰值电流IRRM）是不同的，如图1、图2.
1.1 trr与If和di/dt的关系
trr与If和di/dt的关系如图1所示：
从图中可见，随着二极管的正向电流If的增加反向恢复时间trr随着增加；di/dt的增加，反向恢复时间trr减小。因此,以测试小信号开关二极管的测试条件IF=IR=10ma为测试条件的反向恢复时间不能如实表现实际应用情况；以固定正向电流(如1A)为测试条件也不能在实际应用中得到客观再现；不同电流档次以其额定正向电流或其1/2为测试条件则相对客观。
1.2 反向恢复时间与反向电压的关系
反向恢复时间随反向电压增加,如果600V超快恢复二极管在反向电压为30V时，反向恢复时间为35ns，而反向电压为350V时其反向恢复时间增加，因此，仅从产品选择指南中按所给的反向恢复时间选用快速二极管，如反向电压的测试条件不同，将导致实际的反向恢复时间的不同,应尽可能的参照数据手册中给的相对符合测试条件下的反向恢复时间为依据。
1.3 反向恢复峰值电流IRRM
反向恢复峰值电流IRRM随-di/dt增加，如图2，因在不同-di/dt的测试条件下，IRRM的幅值是不同的。
IRRM随反向工作电压上升,因此额定电压为1000V的快速二极管，在相同的-di/dt条件下，但反向工作电压不同时(如500V与1000V)则IRRM是不能相比较的。
（4）结温T的影响
反向恢复时间trr随工作结温上升,如图3所示，结温125时的反向恢复时间是结温25时的近2倍。反向恢复峰值电流IRRM随工作结温上升，结温125时的反向恢复峰值电流是结温25时的近1.5倍。反向恢复电荷Qrr随工作结温上升，结温125时的反向恢复电荷是结温25时的近3倍以上。
1.4 反向恢复损耗
超快速反向恢复二极管的反向恢复损耗与二极管的反向恢复引起的开关管的开通损耗如图4所示，二极管的反向恢复损耗是在反向恢复过程的后半部分t1—t2期间，其损耗的大小与IRRM和t1—t2的大小有关，在二极管的反向恢复过程中，而开关管的开通损耗始终存在。很明显，快速反向恢复二极管的反向恢复损耗与开关管的开通损耗随IRRM和反向恢复时间增加，
1.5 IRRM、反向恢复损耗及EMI的减小
在实际应用中快速反向恢复二极管的反向恢复过程将影响电路的性能，为追求低的反向恢复时间，可能会选择高的di/dt，但会引起高的IRRM、振铃、电压过冲和高的EMI并增加开关损耗，如图5所示：
若适当减小di/dt可降低IRRM、EMI，消除振零和电压过冲和由此产生的损耗，如图6所示：而di/dt的降低是通过降低开关管的开通速度实现，开关管的开关损耗将增加，因此，改变di/dt不能从本质上解决快速反向恢复二极管的反向恢复存在的全部问题，必须改用性能更好的快速反向恢复二极管，即IRRM低、trr短、反向恢复特性软，通过各种快速反向恢复二极管的数据，可以找出性能好的快速反向恢复二极管。本文各图数据均为开关性能优良的超快速、软恢复二极管。
2 新型快速反向恢复二极管
近年来为减小快速反向恢复二极管的反向恢复时间trr、反向恢复峰值电流Irrm和过硬的反向恢复特性，出现了高性能超快软恢复二极管HiPer FRED、Dyn FRED（或称为高频快恢复二极管High Frequency Soft Recoverry Rectifier），与常规快速反向恢复二极管相比，新型超快速反向恢复二极管的实际反向恢复时间trr降低到25 ns左右，反向恢复峰值电流Irrm降低到额定正向电流的1/4或更多，反向恢复特性软化。如图7所示。很明显，新型超快反向恢复二极管的反向恢复时间和反向恢复峰值电流远低于图1、图2器件。可减少功率变换器中的开关管和二极管的开关损耗、输出电压尖峰和EMI。
参考文献：
[1] www.advancedpower.com/pressreleases/data/30d60b.pdf
[2] www.ixys.com/products/power/search/rectifier/ferd/d5.pdf
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http:www.cps800.com/news/2005-8/2005810183848.html
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