快恢复二极管的特性参数技术

  1.前言
  随着电力电子技术的发展，各种变频电路的斩波电路中新型电力电子器件的应用范围不断扩大，这些电力电子线路不论主回路采用的是换流关断的SCR，还是具有自关断能力的IGBT，GTO、MOSFET等新型电力电子器件，其均需要与之并联一个起续流、缓冲、吸收等作用的二极管，以通过负载中的无功电流，减少电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而在器件或模块寄生电感中产生的高电压。由于现代电力电子器件的频率和性能相匹配，这些二极管必须在具有较低通态压降的基础上具有快速开通和快速关断的能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的方向恢复电流IRM，同时具有软恢复特性。与传统整流二极管相比，此种二极管不论从器件结构和工艺上还是器件特性上均与之有较大的差别，因此如何正确理解其参数表给出的器件参数就成为一个器件使用者即电力电子线路设计者首先要解决的问题。这类二极管包括FRD和FRED两种类型，二者最主要的差别是它们的原始基片不同：FRD使用的是三重扩散片做成，而FRED使用的是外延片做成。她们的电学特性参数及应用范围十分接近，因此一般意义上均作为同一类型器件进行考虑。
  本文针对FRD和FRED产品的特性参数，以MacMic公司单管或模块封装的FRD 和FRED产品参数表为例详细解释快恢复二极管相关参数，其中大多数参数是给出相关定义和说明。在几个重要参数下，将提供较多的论述来阐明如何使用参数表所提供的信息。文中按照参数表得项目内容划分成几个对应的部分来介绍：最大额定值参数部分，静态电参数部分，动态电参数部分以及特性曲线部分。
 
  2.各部分参数的理解
  FRD和FRED的参数一般分为点血参数、机械参数、热血参数以及特性曲线四个部分，而电学参数又可以分为动态参数和静态参数。在二者的参数表中，首先给出的是最大额定值参数部分，最后给出各个参数的特性曲线。下边以MMF300Z060DK1 FRED模块为例分别对上述几个参数部分进行解释。
  
  2.1 最大额定值参数部分
  最大额定值部分参数表得内容如表1和表2所示。

  表1,2所示为MMF300Z060DK1双塔封装模块参数表中最大绝对额定部分参数。从表中可知，此部分给出的是一些关键参数的最大额定值，例如，直流反向电压VR，平均正向电IF(AV)，最大功耗Ptot，结温范围TJ等。
  VR是指加于二极管两端所允许的最大直流反向电压，在整个二极管工作温度范围内这个直流反向电压VR均有效。实际的二极管击穿电压VBR会比VR大5%到10%，因此任何一个电路设计方案均应使二极管两端电压保持在这个范围之内。二极管必须在电压等于VR或者低于VR的情况下工作，如果超过了实际及充电呀，二极管将被损坏。在某些情况下，制造二极管的厂商给出不可重复雪崩耐量的额定值，这个有关雪崩耐量的额定值是由二极管可以承受多大的雪崩能量来规定的。即使对于具有较大雪崩耐量的二极管，仍然建议在设计中要避免雪崩击穿；而应该在二极管被那些极少有的、太大的电压瞬态值击穿时，将雪崩耐量用来作为一种保护。二极管在设计时均考虑一定的雪崩耐量，并在出厂检测时对每个模块产品检查它们的雪崩耐量，尽管这个值在参数表中没有给出。   VRRM示所允许的二极管最大重复反向电压瞬时值。它是一个周期性的电压，包括换流时的尖峰、感性冲击等，还有其它在每一个周期中出现的瞬态电压，这些瞬态电压是由电路和二极管本身的特性导致的，而且在某些程度上，受线路设计者控制。二极管必须在电压等于或者低于VRRM的情况下工作，如果超过了实际及充电呀，二极管将被损坏。它与VR的区别是他的测试条件是正弦半波电压下的值，更接近于二极管的VBR值。但在FRD与FRED的参数表中，这两个参数的值与反向工作电压VRWM是相等的，电路设计者必须确保在任何条件下，所有的电压，不管是有意或是无意的，都必须保持在最大额定值范围内，以遵从技术规范和维持二极管可靠的工作。
  IF(AV)是指当壳温保持在25℃~75℃之间一个规定温度值时，使结温低于所允许的最大结温时，二极管所允许的最大正向平均电流。在二极管参数表中，这个平均值是以一系列占空比为50%的方波为基础的。在这样的一列方波中，其平均电流是峰值电流的一半。例如，一个15A的电流额定值就意味着一列占空比为50%的峰值电流为30A的方波。其它公司的二极管IF(AV)可能是以正弦半波为基础计算的，即是，脉冲，这种正弦半波平均值的计算方法不再合适，而以一系列方波脉冲为基础的计算方法更适合现实应用。
  IF(RMS)是指当壳温维持在25℃~75℃之间的某一值时允许的最大电流均方根值。IF(RMS)与IF(AV)的计算一样，使用的都是方波电流。IF(RMS)的计算公式：   其中IF(Peak)为方波的最大瞬态电流值，δ为方波的占空比。二极管δ值取为50%，并且壳温为75℃。
  IFSM是指在结温TJ为某一温度时，正弦半波浪涌脉冲基波宽度为8.3ms或者10ms条件下，所能允许的最大不重复的半正弦波浪涌电流。这个参数的测试方法是一种破坏性测试：测试时用一个单脉冲浪涌电流对被测二极管进行冲击，然后检查被测二极管是否被损坏，如果被测二极管损坏，将对应浪涌脉冲的峰值电流，再对下一个二极管进行测试。如果被测管没有损坏，则先让它的结温降低到规定结温TJ后增加浪涌电压的峰值，重新对被测二极管冲击。重复以上步骤，直到所有的二极管样品全部被损坏。最后取所有记录的浪涌电流平均值既得对应结温下的IFSM值。
  I²t是正向浪涌电流的平方对电流浪涌持续时间的积分值。这个参数的意义在于当电路中需要加装快速熔断器时，熔断器的选择要依据二极管的I²t定额进行。
  TJ是指所允许的工作结温范围，也即是-55℃~+150℃。同样地，TSTG是指所允许的储存温度范围。正如MMF300Z060DK1参数表所示的那样，这两种温度范围通常是相同的。建议二极管的工作结温或储存温度不要超过该规定范围。
  Ptot指最大总功耗，它是指在结温不超过最大结温时二极管所能处理的最大功耗，其计算公式为：   式中TJ为二极管结温，确切是指芯片的温度，TC为壳温，一般是指与散热器相连的铜底板的温度：Rthjc为从管芯到管壳及铜板的最大热阻。
  Viso为模块铜底板与DCB板之间陶瓷层的击穿电压，它是模块参数表中特有的参数，表达了DCB板下作为绝缘用陶瓷层的抗电击穿能力。使用DBC板陶瓷材料为AIN的FRED模块相对于DBC板为AI₂O₃材料的其他公司模块，具有更低的热阻，更高的绝缘耐压。
 
  2.2 静态电特性部分参数   表3所示为FRED模块MMF300Z060DK1的静态电特性部分参数，它与上部分介绍的最大额定值部分参数最大的不同是此处给出的是典型值或最大值，是由参数本身或者器件端特性条件而决定。这些额定值是在参数表中所规定的特殊条件下的静态或者直流的额定值。
  IRM是在规定VR规定结温下给出的最大反向漏电流。如果一个二极管的反向漏电流测量值超过参数表中的规定值，则这个二极管就不合格。在上面二极管参数表中，给出了两组条件下的IRM值，只有其中的一组说明结温为TJ=125℃；另一没有说明结温的就是在TJ=25℃条件下的值。
  VF是二极管在规定正向电流IF规定结温TJ下的正向电压。表3所示参数表中，VF的最大值在结温TJ为125℃，壳温TC为25℃，IF为两倍额定电流的条件下得到。应用中，对二极管的VF和开关速度会有一个折衷的考虑，对于具有相同额定电流或者相同管芯面积的二极管，设计用来快速关断的二极管的正向压降比慢速关断的二极管的正向压降要高。
 
  2.3 动态电特性部分参数   表4所示为MMF300Z060DK1FRED模块的攻台电特性部分参数，这一部分是FRD和FRED与传统整流二极管和肖特基二极管由重大区别的地方。FRED和FRD在具有低的通态压降和高得阻断电压的条件下同时又具有快速开通和快速关断的能力。整流二极管的方向恢复时间一般在5µs以上，而FRD的反向恢复时间在5µs以下，对于举例的FRED产品，其反向恢复电流可以降到20ns以下，并且具有比较软的恢复电流波形。二极管反向恢复波形示意图如图1所示。   图1结合表4可知，反向恢复时间trr即为图示中的t2-t0，即从二极管正向电流过零开始到二极管反向电流极大值IRRM与)0.25倍IRRM连线与时间轴交点截至处之间的时间。IRRM为二极管瞬态反向电流的极大值，Qrr即二极管电流反向部分与时间的积分值，它们的测试参数是正向电流下降水di/dt，母线电压Vcc，正向电流IF，以及二极管管芯结温TJ。反向恢复时间trr，反向峰值电流IRRM，反向恢复电荷Qrr的测试电路示意图如图2所示。正向电流下降率diF/dt由开关器MOSFET或IGBT的开通时间决定，也即是由开关器件的驱动电路的驱动电阻Rg决定，通过改变Rg大小就可以改变diF/dt的大小；母线电压Vcc由电路所施加的电压决定，典型值为二极管反向直流电压VR的80%(室温或或25℃下)或50%(125℃或者150℃下)；正向电流由开关管开通器件在电感中充电能量来决定，也即是栅极驱动脉冲宽度Tl决定，宽度变大IF升高；二极管管芯结溫TJ等同于売温Tc，即二极管的结溫采用从外部加热的方式获得。   二极管动态特性不仅受测试条件的影响另外也受测试电路中的其他因素影响，例如由于用作开关的器料不相同，使得寄生参数发生改变；一个电路中使用了缓冲电路，而另一个没有用；一个开关器件的栅极和源极之间或者栅极和发射极之间加上了一个吸收电容，而另一个则没有加等因素。动态特性尤其是trr与所有的这些影响均有关系，不恰当的测试电路或测试方法会使得反向恢复电压波形产生振荡，反向恢复电流波形形成突起以及电流波形拖尾等现象，影响动态特性的精确性。因此电流设计者在比较不同厂家的相似的二极管动态参数以确定究竟哪家的产品更适合于特定的电路时，最好的方法是进行测试，即使用同一个测试电路对不同厂家的二极管进行测试，最终得出更适合于特定电路的FRD或FRED产品。
 
  2.4 热特性参数部分   表5所示为MMF300Z060DK1 FRED模块的热特性参数R_θJC，它是对从二极管的管芯到二极管外壳的基板之间热流的阻抗。从管芯到基板的路径是最小热阻抗的路径。在参数表中给出的是从管芯到外壳的热阻，而不是管芯通过一个散热器到周围环境的热阻，这是因为设计者所选择的散热器材料和界面材料对于参数表制作人员来说是未知的。由于R_θJC是基于未知散热器形式的假设上的，所以电路设计者仅仅知道R_θJC是不够的，电路设计者必须根据所使用的散热器材料以及界面材料来计算总热阻，从而得出的散热器材料以及界面材料来计算总热阻，从而得出由散热器和外壳再到倒散热器外部环境的热阻R_θJC。
 
  2.5 特性曲线部分
  在参数表得最后给出包括FRD的静态电参数、动态电参数、瞬态热阻曲线以及二极管的封装外形在内的曲线图示。它包括正向电流/电压关系曲线、反向恢复电荷与正向电流下降率关系曲线、反向恢复峰值电流与正向电流下降率关系曲线、反向恢复电荷和反向恢复峰值与结温关系曲线、反向恢复时间与正向恢复电流下降率关系曲线、瞬态热阻与占空比关系曲线和模块或分立器件封装外形示意图等八个部分。下边分别对其作出介绍。
 
  2.5.1 正向电压与正向电流的关系曲线
  此曲线取自于二极管特性曲线图，用来表示二极管的电流传输能力。它表示在一定管芯结温下使二极管流过一定安培数的电流时器件两端电压。在同样的正向电流下，随着管芯结温的升高二极管的正向电压不断降低。从此曲线可知二极管在一定电流下的管压降呈负温度系数，这不利于二极管的并联使用。
  
  2.5.2 反向恢复电荷与电流衰减速率的关系曲线
  该曲线表示了反向恢复电荷随diF/dt变化的函数关系。在MMF300Z060DK1的参数表中，从反向恢复电荷Qrr与diF/dt的关系曲线看出，对于一个给定的IF，当diF/dt增加时，反向恢复电荷Qrr也同样增加。同时该曲线也显示，对于给定的diF/dt当IF增加时反向恢复电荷Qrr也随之增加。
 
  2.5.3 最大反向恢复电流与正向电流下降率关系曲线
  该曲线表示最大反向恢复电流IRRM随diF/dt的变化关系。在MMF300Z060DK1的参数表中，从最大反向恢复电流IRM与diF/dt的关系曲线可知，对于一个给定的IF，当diF/dt增加时，最大反向恢复电流IRRM也同时增加。同时关系曲线也显示出，对于给定的diF/dt当IF增加时最大反向恢复电流IRRM也随之增加。
 
  2.5.4 动态参数与结温关系曲线
  电路设计也许还想知道二极管动态参数随结温的变化情况，而此曲线就给出了Qrr和IRRM随结温的变化。在MMF300Z060DK1的参数表中，这两个参数都随着结温从0℃到150℃的升高而增加。IRRM约增加了约3倍，而Qrr则增加了几乎4.5倍。
 
  2.5.5反向恢复时间与电流下降率关系曲线
  此曲线表示反向恢复时间trr随diF/dt的变化关系。随上述FRED模块参数表中可知，随着diF/dt增加，反向恢复时间trr减小。同样在该图中看出，对于给定的diF/dt，随着正向电流IF增加trr随之增加。
 
  2.5.6 正向恢复电压/时间与电流下降关系曲线
  该曲线表示正向恢复电压VFR和正向恢复时间tFR随diF/dt的变化关系。从上述参数表可以看出随diF/dt增加，VFR线性增加，而tFR则不断减小。
 
  2.5.7 瞬态热阻与脉冲持续时间关系曲线
  前述参数表中所示瞬态热阻与脉冲持续时间关系曲线是基于热时间常数概念的。对于具有规定幅值和占空比的功率脉冲方波，结到壳的瞬态热阻抗Z_θJC比静态的热阻要小一些，瞬态热阻抗Z_θJC的数值取决于热时间常数、占空比和功率脉冲的幅值。
 
  2.5.8 FRD或FRED封装外形图
  在功率快恢复二极管参数表的最后部分总是给出二极管封装外形图及各部分标注。一般情况下各种封装形式均为标准封装，例如TO-220封装、TO-247封装等，本文例中MMF300Z060DK1 FRED使用的是双塔模块封装形式，这种封装在一个模块中以共阴极的形式封装了两个单元的FRED芯片，并且此种封装铜基板即是模块的共阴极端子。
  
  3.结论
  文中针对FRD和FRED产品的特性参数，以MacMic公司模块封装的FRED产品数据表为例详细解释了快恢复二极管的相关参数。总共分五部分对快恢复二极管的相关参数进行解释，对一些关键的参数如二极管的动态特性参数trr、Qrr以及IRRM进行了详细的探讨，同时给出了这些关键参数的测试方案与影响因素。在本文的最后一部分对快恢复二极管参数表中的常用数据曲线进行了分析解释，并总体描述了各个曲线的变化趋势。本文对电子线路的设计者在参数表的理解方面具有重要的参考意义。



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