快速恢复外延二极管FRED

  快速恢复外延二极管也称快速功率二极管，是快恢复二极管(FRD)的一种，简称FRED。
  快速恢复外延二极管(FRED)主要应用在高频开关电路中，它采用外延型PiN结构，其反向恢复时问可低于50 ns，一般为几十到几百ns，正向压降可低至0.9V左右，一般小于2.0 V，其反向耐压多在1200V以下，可用于开关频率为20-50kHz的场合。
 
  1. 快恢复二极管的反向恢复特性
  现代脉冲电路中大量使用晶体管或二极管作为开关，或者使用主要是由它们构成的逻辑集成电路。而作为开关应用的二极管主要是利用了它的通态电阻很小、断态电阻很大的特性，即二极管对正向及反向电流表现出的开关作用。二极管和一般开关的不同在于“开”与“关”由所加电压的极性决定，而且“开”态有微小的压降U_f，“关”态有微小的电流I_o。当电压由正向变为反向时，电流并不立刻成为-I_o，而是在一段时间ts内，反向电流始终很大，二极管井不关断。经过ts后，反向电流才逐渐变小，再经过ts时间，二极管的电流才成为-I_o，这一过程如图1所示。ts称为储存时间，tr称为下降时间。Trr=ts+tr称为反向恢复时间，以上过程称为反内恢复过程。

 
  二极管的反向恢复过程实际上是由电荷存诸效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷耗尽所需要的时间。该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当作开关使用。如果反向脉冲的持续时间比tr短，则二极管在正、反向都可导通，起不到开关作用。因此了解二极管反向恢复时间对正确选取二极管和合理设计电路至关重要。
  开关从导通状态向截止状态转变时，二极管在阻断反向电流之前需要首先释放存储的电荷，这个放电时间被称为反向恢复时间，在此期间电流反向流过二极管。即从正向导通为0时到进入完全截止状态的时间。
  反向恢复过程，实际上是由电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是正向导通时PN结存储的电荷耗尽所需要的时间。假设为trr，若有一频率为f1的连续PWM波通过二极管，当二极管反向恢复时间长时，二极管反方向时就不能阻断此PWM波、起不到开关作用。反向恢复时间短使二极管能在导通和截止之间迅速转换，可获得较高的开关速度，提高了器件的使用频率并改善波形。
  快恢复二极管的最主要特点是它的反向恢复时间(trr)在几百ns以下，快速恢复外延二极管(FRED)、超快恢复二极管、SiC二极管甚至能达到几十ns。所谓反向恢复时间trr严格的定义是：电流通过零点由正向转换成反向，再由反向转换到规定值的时间间隔，它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。
  图1中，IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，Irr为反向恢复电流，通常规定Irr=0.1IRM。当t≤to时，正向电流I=IF。当t>t0时、由于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此，正向电流迅速减小，在t=t1时刻。I=0。然后整流管上的反向电流IR逐渐增大;在t=t2时刻达到电大反向恢复电流IRM值。此后通过环路放电，反向电流逐渐减小，并且在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相仿之处。由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。
  电子学应用中的电力开关(IGBT，MOSFET、BJT，GTO)和续流二极管一样，在增加开关频率时，电力开关的功能和效率，除了传导损失外，是由二极管的关断特性决定的Qr、IRM和trr特性，见图1。
 
  2. 快恢复二极管的硬特性与软特性。
  图1中，反向电流特性的峰值反向电流IRM是一个很重要的性能，这个反向电流衰减的斜率d_in/d_t源于设计参数，FRED芯片的设计和扩散技术，在电路中，电流斜率会同寄生电感(例如连接导线)结合导致产生过电压尖峰和高频干扰电压。d_irr/d_t越高(“硬”恢复特性)，引起二极管和并联开关产生的附加应力越高。反向电流哀减慢(“软恢复”特性)，是最理想的特性。这个设计思想用于所有的FRED。阻断电压的范围广，使得这些FRED用作开关型电源(SMPS)的输出整流器成为可能，如用作逆变器和焊接电源的电力开关的保护和续流二极管。
  快恢复二极管的软度由图1定义，软度因子为   S一般要求在0.5以上。
 
  3. 快恢复外延二极管
  快恢复二极管芯片PN结构终止区用采用玻璃钝化技术，其热膨胀系数与硅的热膨胀系数相匹配。所有的硅芯片越来越多的使用保护环平面技术和沟道阻断来降低芯片的表面电场。
  芯片的接触区域真空沉积金属层，实质上这有助于它们的高功率循环应用能力和适合芯片的封装工艺。所有在硅晶圆片上加工处理的芯片在样品测试后，自动标识不符合电气说明的芯片，然后世成小颗粒。芯片颗粒的可形状是正方形或长方形的。玻璃钝化平面处理二极管芯片终端截面的扩散层如图2所示。
  现在整个晶片的底部表面可直接焊接到DCB或其他陶瓷基片，而不需要钼片段冲应力。消除了应力缓冲和焊层，减少了热阻，从而增加了阻断电压的稳定性，降低了FRED的正向压降，在规定的正向电流下，二极管的正向电压降，是二极管能够导通的正向最低电压，所以也降低了二极管的功率损耗。  
  FRED二极管在整个工作温度范围内性能稳定，并且对于温度的变化，正向电压降的变化可以忽略不计。该二极管是为高频应用设计的，在高频应用时稳定可靠。由于单个芯片通态电流较小，大电流情况下一般并联使用，组成大电流快恢复二极管模块。由于是并联使用，模块的反向恢复时间要比单个芯片的长。并联使用的结构如图3所示。


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