快恢復(fù)二極管的特性參數(shù)技術(shù)

  1.前言
  隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種變頻電路的斬波電路中新型電力電子器件的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，這些電力電子線路不論主回路采用的是換流關(guān)斷的SCR，還是具有自關(guān)斷能力的IGBT，GTO、MOSFET等新型電力電子器件，其均需要與之并聯(lián)一個(gè)起續(xù)流、緩沖、吸收等作用的二極管，以通過負(fù)載中的無功電流，減少電容的充電時(shí)間，同時(shí)抑制因負(fù)載電流瞬時(shí)反向而在器件或模塊寄生電感中產(chǎn)生的高電壓。由于現(xiàn)代電力電子器件的頻率和性能相匹配，這些二極管必須在具有較低通態(tài)壓降的基礎(chǔ)上具有快速開通和快速關(guān)斷的能力，即具有短的反向恢復(fù)時(shí)間trr，較小的方向恢復(fù)電流IRM，同時(shí)具有軟恢復(fù)特性。與傳統(tǒng)整流二極管相比，此種二極管不論從器件結(jié)構(gòu)和工藝上還是器件特性上均與之有較大的差別，因此如何正確理解其參數(shù)表給出的器件參數(shù)就成為一個(gè)器件使用者即電力電子線路設(shè)計(jì)者首先要解決的問題。這類二極管包括FRD和FRED兩種類型，二者最主要的差別是它們的原始基片不同：FRD使用的是三重?cái)U(kuò)散片做成，而FRED使用的是外延片做成。她們的電學(xué)特性參數(shù)及應(yīng)用范圍十分接近，因此一般意義上均作為同一類型器件進(jìn)行考慮。
  本文針對FRD和FRED產(chǎn)品的特性參數(shù)，以MacMic公司單管或模塊封裝的FRD 和FRED產(chǎn)品參數(shù)表為例詳細(xì)解釋快恢復(fù)二極管相關(guān)參數(shù)，其中大多數(shù)參數(shù)是給出相關(guān)定義和說明。在幾個(gè)重要參數(shù)下，將提供較多的論述來闡明如何使用參數(shù)表所提供的信息。文中按照參數(shù)表得項(xiàng)目內(nèi)容劃分成幾個(gè)對應(yīng)的部分來介紹：最大額定值參數(shù)部分，靜態(tài)電參數(shù)部分，動(dòng)態(tài)電參數(shù)部分以及特性曲線部分。
 
  2.各部分參數(shù)的理解
  FRD和FRED的參數(shù)一般分為點(diǎn)血參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、熱血參數(shù)以及特性曲線四個(gè)部分，而電學(xué)參數(shù)又可以分為動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)。在二者的參數(shù)表中，首先給出的是最大額定值參數(shù)部分，最后給出各個(gè)參數(shù)的特性曲線。下邊以MMF300Z060DK1 FRED模塊為例分別對上述幾個(gè)參數(shù)部分進(jìn)行解釋。
  
  2.1 最大額定值參數(shù)部分
  最大額定值部分參數(shù)表得內(nèi)容如表1和表2所示。

  表1,2所示為MMF300Z060DK1雙塔封裝模塊參數(shù)表中最大絕對額定部分參數(shù)。從表中可知，此部分給出的是一些關(guān)鍵參數(shù)的最大額定值，例如，直流反向電壓VR，平均正向電IF(AV)，最大功耗Ptot，結(jié)溫范圍TJ等。
  VR是指加于二極管兩端所允許的最大直流反向電壓，在整個(gè)二極管工作溫度范圍內(nèi)這個(gè)直流反向電壓VR均有效。實(shí)際的二極管擊穿電壓VBR會(huì)比VR大5%到10%，因此任何一個(gè)電路設(shè)計(jì)方案均應(yīng)使二極管兩端電壓保持在這個(gè)范圍之內(nèi)。二極管必須在電壓等于VR或者低于VR的情況下工作，如果超過了實(shí)際及充電呀，二極管將被損壞。在某些情況下，制造二極管的廠商給出不可重復(fù)雪崩耐量的額定值，這個(gè)有關(guān)雪崩耐量的額定值是由二極管可以承受多大的雪崩能量來規(guī)定的。即使對于具有較大雪崩耐量的二極管，仍然建議在設(shè)計(jì)中要避免雪崩擊穿；而應(yīng)該在二極管被那些極少有的、太大的電壓瞬態(tài)值擊穿時(shí)，將雪崩耐量用來作為一種保護(hù)。二極管在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮一定的雪崩耐量，并在出廠檢測時(shí)對每個(gè)模塊產(chǎn)品檢查它們的雪崩耐量，盡管這個(gè)值在參數(shù)表中沒有給出。   VRRM示所允許的二極管最大重復(fù)反向電壓瞬時(shí)值。它是一個(gè)周期性的電壓，包括換流時(shí)的尖峰、感性沖擊等，還有其它在每一個(gè)周期中出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓，這些瞬態(tài)電壓是由電路和二極管本身的特性導(dǎo)致的，而且在某些程度上，受線路設(shè)計(jì)者控制。二極管必須在電壓等于或者低于VRRM的情況下工作，如果超過了實(shí)際及充電呀，二極管將被損壞。它與VR的區(qū)別是他的測試條件是正弦半波電壓下的值，更接近于二極管的VBR值。但在FRD與FRED的參數(shù)表中，這兩個(gè)參數(shù)的值與反向工作電壓VRWM是相等的，電路設(shè)計(jì)者必須確保在任何條件下，所有的電壓，不管是有意或是無意的，都必須保持在最大額定值范圍內(nèi)，以遵從技術(shù)規(guī)范和維持二極管可靠的工作。
  IF(AV)是指當(dāng)殼溫保持在25℃~75℃之間一個(gè)規(guī)定溫度值時(shí)，使結(jié)溫低于所允許的最大結(jié)溫時(shí)，二極管所允許的最大正向平均電流。在二極管參數(shù)表中，這個(gè)平均值是以一系列占空比為50%的方波為基礎(chǔ)的。在這樣的一列方波中，其平均電流是峰值電流的一半。例如，一個(gè)15A的電流額定值就意味著一列占空比為50%的峰值電流為30A的方波。其它公司的二極管IF(AV)可能是以正弦半波為基礎(chǔ)計(jì)算的，即是，脈沖，這種正弦半波平均值的計(jì)算方法不再合適，而以一系列方波脈沖為基礎(chǔ)的計(jì)算方法更適合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。
  IF(RMS)是指當(dāng)殼溫維持在25℃~75℃之間的某一值時(shí)允許的最大電流均方根值。IF(RMS)與IF(AV)的計(jì)算一樣，使用的都是方波電流。IF(RMS)的計(jì)算公式：   其中IF(Peak)為方波的最大瞬態(tài)電流值，δ為方波的占空比。二極管δ值取為50%，并且殼溫為75℃。
  IFSM是指在結(jié)溫TJ為某一溫度時(shí)，正弦半波浪涌脈沖基波寬度為8.3ms或者10ms條件下，所能允許的最大不重復(fù)的半正弦波浪涌電流。這個(gè)參數(shù)的測試方法是一種破壞性測試：測試時(shí)用一個(gè)單脈沖浪涌電流對被測二極管進(jìn)行沖擊，然后檢查被測二極管是否被損壞，如果被測二極管損壞，將對應(yīng)浪涌脈沖的峰值電流，再對下一個(gè)二極管進(jìn)行測試。如果被測管沒有損壞，則先讓它的結(jié)溫降低到規(guī)定結(jié)溫TJ后增加浪涌電壓的峰值，重新對被測二極管沖擊。重復(fù)以上步驟，直到所有的二極管樣品全部被損壞。最后取所有記錄的浪涌電流平均值既得對應(yīng)結(jié)溫下的IFSM值。
  I²t是正向浪涌電流的平方對電流浪涌持續(xù)時(shí)間的積分值。這個(gè)參數(shù)的意義在于當(dāng)電路中需要加裝快速熔斷器時(shí)，熔斷器的選擇要依據(jù)二極管的I²t定額進(jìn)行。
  TJ是指所允許的工作結(jié)溫范圍，也即是-55℃~+150℃。同樣地，TSTG是指所允許的儲(chǔ)存溫度范圍。正如MMF300Z060DK1參數(shù)表所示的那樣，這兩種溫度范圍通常是相同的。建議二極管的工作結(jié)溫或儲(chǔ)存溫度不要超過該規(guī)定范圍。
  Ptot指最大總功耗，它是指在結(jié)溫不超過最大結(jié)溫時(shí)二極管所能處理的最大功耗，其計(jì)算公式為：   式中TJ為二極管結(jié)溫，確切是指芯片的溫度，TC為殼溫，一般是指與散熱器相連的銅底板的溫度：Rthjc為從管芯到管殼及銅板的最大熱阻。
  Viso為模塊銅底板與DCB板之間陶瓷層的擊穿電壓，它是模塊參數(shù)表中特有的參數(shù)，表達(dá)了DCB板下作為絕緣用陶瓷層的抗電擊穿能力。使用DBC板陶瓷材料為AIN的FRED模塊相對于DBC板為AI₂O₃材料的其他公司模塊，具有更低的熱阻，更高的絕緣耐壓。
 
  2.2 靜態(tài)電特性部分參數(shù)   表3所示為FRED模塊MMF300Z060DK1的靜態(tài)電特性部分參數(shù)，它與上部分介紹的最大額定值部分參數(shù)最大的不同是此處給出的是典型值或最大值，是由參數(shù)本身或者器件端特性條件而決定。這些額定值是在參數(shù)表中所規(guī)定的特殊條件下的靜態(tài)或者直流的額定值。
  IRM是在規(guī)定VR規(guī)定結(jié)溫下給出的最大反向漏電流。如果一個(gè)二極管的反向漏電流測量值超過參數(shù)表中的規(guī)定值，則這個(gè)二極管就不合格。在上面二極管參數(shù)表中，給出了兩組條件下的IRM值，只有其中的一組說明結(jié)溫為TJ=125℃；另一沒有說明結(jié)溫的就是在TJ=25℃條件下的值。
  VF是二極管在規(guī)定正向電流IF規(guī)定結(jié)溫TJ下的正向電壓。表3所示參數(shù)表中，VF的最大值在結(jié)溫TJ為125℃，殼溫TC為25℃，IF為兩倍額定電流的條件下得到。應(yīng)用中，對二極管的VF和開關(guān)速度會(huì)有一個(gè)折衷的考慮，對于具有相同額定電流或者相同管芯面積的二極管，設(shè)計(jì)用來快速關(guān)斷的二極管的正向壓降比慢速關(guān)斷的二極管的正向壓降要高。
 
  2.3 動(dòng)態(tài)電特性部分參數(shù)   表4所示為MMF300Z060DK1FRED模塊的攻臺(tái)電特性部分參數(shù)，這一部分是FRD和FRED與傳統(tǒng)整流二極管和肖特基二極管由重大區(qū)別的地方。FRED和FRD在具有低的通態(tài)壓降和高得阻斷電壓的條件下同時(shí)又具有快速開通和快速關(guān)斷的能力。整流二極管的方向恢復(fù)時(shí)間一般在5µs以上，而FRD的反向恢復(fù)時(shí)間在5µs以下，對于舉例的FRED產(chǎn)品，其反向恢復(fù)電流可以降到20ns以下，并且具有比較軟的恢復(fù)電流波形。二極管反向恢復(fù)波形示意圖如圖1所示。   圖1結(jié)合表4可知，反向恢復(fù)時(shí)間trr即為圖示中的t2-t0，即從二極管正向電流過零開始到二極管反向電流極大值IRRM與)0.25倍IRRM連線與時(shí)間軸交點(diǎn)截至處之間的時(shí)間。IRRM為二極管瞬態(tài)反向電流的極大值，Qrr即二極管電流反向部分與時(shí)間的積分值，它們的測試參數(shù)是正向電流下降水di/dt，母線電壓Vcc，正向電流IF，以及二極管管芯結(jié)溫TJ。反向恢復(fù)時(shí)間trr，反向峰值電流IRRM，反向恢復(fù)電荷Qrr的測試電路示意圖如圖2所示。正向電流下降率diF/dt由開關(guān)器MOSFET或IGBT的開通時(shí)間決定，也即是由開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電阻Rg決定，通過改變Rg大小就可以改變diF/dt的大?。荒妇€電壓Vcc由電路所施加的電壓決定，典型值為二極管反向直流電壓VR的80%(室溫或或25℃下)或50%(125℃或者150℃下)；正向電流由開關(guān)管開通器件在電感中充電能量來決定，也即是柵極驅(qū)動(dòng)脈沖寬度Tl決定，寬度變大IF升高；二極管管芯結(jié)溫TJ等同于売溫Tc，即二極管的結(jié)溫采用從外部加熱的方式獲得。   二極管動(dòng)態(tài)特性不僅受測試條件的影響另外也受測試電路中的其他因素影響，例如由于用作開關(guān)的器料不相同，使得寄生參數(shù)發(fā)生改變；一個(gè)電路中使用了緩沖電路，而另一個(gè)沒有用；一個(gè)開關(guān)器件的柵極和源極之間或者柵極和發(fā)射極之間加上了一個(gè)吸收電容，而另一個(gè)則沒有加等因素。動(dòng)態(tài)特性尤其是trr與所有的這些影響均有關(guān)系，不恰當(dāng)?shù)臏y試電路或測試方法會(huì)使得反向恢復(fù)電壓波形產(chǎn)生振蕩，反向恢復(fù)電流波形形成突起以及電流波形拖尾等現(xiàn)象，影響動(dòng)態(tài)特性的精確性。因此電流設(shè)計(jì)者在比較不同廠家的相似的二極管動(dòng)態(tài)參數(shù)以確定究竟哪家的產(chǎn)品更適合于特定的電路時(shí)，最好的方法是進(jìn)行測試，即使用同一個(gè)測試電路對不同廠家的二極管進(jìn)行測試，最終得出更適合于特定電路的FRD或FRED產(chǎn)品。
 
  2.4 熱特性參數(shù)部分   表5所示為MMF300Z060DK1 FRED模塊的熱特性參數(shù)R_θJC，它是對從二極管的管芯到二極管外殼的基板之間熱流的阻抗。從管芯到基板的路徑是最小熱阻抗的路徑。在參數(shù)表中給出的是從管芯到外殼的熱阻，而不是管芯通過一個(gè)散熱器到周圍環(huán)境的熱阻，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者所選擇的散熱器材料和界面材料對于參數(shù)表制作人員來說是未知的。由于R_θJC是基于未知散熱器形式的假設(shè)上的，所以電路設(shè)計(jì)者僅僅知道R_θJC是不夠的，電路設(shè)計(jì)者必須根據(jù)所使用的散熱器材料以及界面材料來計(jì)算總熱阻，從而得出的散熱器材料以及界面材料來計(jì)算總熱阻，從而得出由散熱器和外殼再到倒散熱器外部環(huán)境的熱阻R_θJC。
 
  2.5 特性曲線部分
  在參數(shù)表得最后給出包括FRD的靜態(tài)電參數(shù)、動(dòng)態(tài)電參數(shù)、瞬態(tài)熱阻曲線以及二極管的封裝外形在內(nèi)的曲線圖示。它包括正向電流/電壓關(guān)系曲線、反向恢復(fù)電荷與正向電流下降率關(guān)系曲線、反向恢復(fù)峰值電流與正向電流下降率關(guān)系曲線、反向恢復(fù)電荷和反向恢復(fù)峰值與結(jié)溫關(guān)系曲線、反向恢復(fù)時(shí)間與正向恢復(fù)電流下降率關(guān)系曲線、瞬態(tài)熱阻與占空比關(guān)系曲線和模塊或分立器件封裝外形示意圖等八個(gè)部分。下邊分別對其作出介紹。
 
  2.5.1 正向電壓與正向電流的關(guān)系曲線
  此曲線取自于二極管特性曲線圖，用來表示二極管的電流傳輸能力。它表示在一定管芯結(jié)溫下使二極管流過一定安培數(shù)的電流時(shí)器件兩端電壓。在同樣的正向電流下，隨著管芯結(jié)溫的升高二極管的正向電壓不斷降低。從此曲線可知二極管在一定電流下的管壓降呈負(fù)溫度系數(shù)，這不利于二極管的并聯(lián)使用。
  
  2.5.2 反向恢復(fù)電荷與電流衰減速率的關(guān)系曲線
  該曲線表示了反向恢復(fù)電荷隨diF/dt變化的函數(shù)關(guān)系。在MMF300Z060DK1的參數(shù)表中，從反向恢復(fù)電荷Qrr與diF/dt的關(guān)系曲線看出，對于一個(gè)給定的IF，當(dāng)diF/dt增加時(shí)，反向恢復(fù)電荷Qrr也同樣增加。同時(shí)該曲線也顯示，對于給定的diF/dt當(dāng)IF增加時(shí)反向恢復(fù)電荷Qrr也隨之增加。
 
  2.5.3 最大反向恢復(fù)電流與正向電流下降率關(guān)系曲線
  該曲線表示最大反向恢復(fù)電流IRRM隨diF/dt的變化關(guān)系。在MMF300Z060DK1的參數(shù)表中，從最大反向恢復(fù)電流IRM與diF/dt的關(guān)系曲線可知，對于一個(gè)給定的IF，當(dāng)diF/dt增加時(shí)，最大反向恢復(fù)電流IRRM也同時(shí)增加。同時(shí)關(guān)系曲線也顯示出，對于給定的diF/dt當(dāng)IF增加時(shí)最大反向恢復(fù)電流IRRM也隨之增加。
 
  2.5.4 動(dòng)態(tài)參數(shù)與結(jié)溫關(guān)系曲線
  電路設(shè)計(jì)也許還想知道二極管動(dòng)態(tài)參數(shù)隨結(jié)溫的變化情況，而此曲線就給出了Qrr和IRRM隨結(jié)溫的變化。在MMF300Z060DK1的參數(shù)表中，這兩個(gè)參數(shù)都隨著結(jié)溫從0℃到150℃的升高而增加。IRRM約增加了約3倍，而Qrr則增加了幾乎4.5倍。
 
  2.5.5反向恢復(fù)時(shí)間與電流下降率關(guān)系曲線
  此曲線表示反向恢復(fù)時(shí)間trr隨diF/dt的變化關(guān)系。隨上述FRED模塊參數(shù)表中可知，隨著diF/dt增加，反向恢復(fù)時(shí)間trr減小。同樣在該圖中看出，對于給定的diF/dt，隨著正向電流IF增加trr隨之增加。
 
  2.5.6 正向恢復(fù)電壓/時(shí)間與電流下降關(guān)系曲線
  該曲線表示正向恢復(fù)電壓VFR和正向恢復(fù)時(shí)間tFR隨diF/dt的變化關(guān)系。從上述參數(shù)表可以看出隨diF/dt增加，VFR線性增加，而tFR則不斷減小。
 
  2.5.7 瞬態(tài)熱阻與脈沖持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線
  前述參數(shù)表中所示瞬態(tài)熱阻與脈沖持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線是基于熱時(shí)間常數(shù)概念的。對于具有規(guī)定幅值和占空比的功率脈沖方波，結(jié)到殼的瞬態(tài)熱阻抗Z_θJC比靜態(tài)的熱阻要小一些，瞬態(tài)熱阻抗Z_θJC的數(shù)值取決于熱時(shí)間常數(shù)、占空比和功率脈沖的幅值。
 
  2.5.8 FRD或FRED封裝外形圖
  在功率快恢復(fù)二極管參數(shù)表的最后部分總是給出二極管封裝外形圖及各部分標(biāo)注。一般情況下各種封裝形式均為標(biāo)準(zhǔn)封裝，例如TO-220封裝、TO-247封裝等，本文例中MMF300Z060DK1 FRED使用的是雙塔模塊封裝形式，這種封裝在一個(gè)模塊中以共陰極的形式封裝了兩個(gè)單元的FRED芯片，并且此種封裝銅基板即是模塊的共陰極端子。
  
  3.結(jié)論
  文中針對FRD和FRED產(chǎn)品的特性參數(shù)，以MacMic公司模塊封裝的FRED產(chǎn)品數(shù)據(jù)表為例詳細(xì)解釋了快恢復(fù)二極管的相關(guān)參數(shù)?？偣卜治宀糠謱旎謴?fù)二極管的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行解釋，對一些關(guān)鍵的參數(shù)如二極管的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)trr、Qrr以及IRRM進(jìn)行了詳細(xì)的探討，同時(shí)給出了這些關(guān)鍵參數(shù)的測試方案與影響因素。在本文的最后一部分對快恢復(fù)二極管參數(shù)表中的常用數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行了分析解釋，并總體描述了各個(gè)曲線的變化趨勢。本文對電子線路的設(shè)計(jì)者在參數(shù)表的理解方面具有重要的參考意義。



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