快速恢復外延二極管FRED

  快速恢復外延二極管也稱快速功率二極管，是快恢復二極管(FRD)的一種，簡稱FRED。
  快速恢復外延二極管(FRED)主要應用在高頻開關(guān)電路中，它采用外延型PiN結(jié)構(gòu)，其反向恢復時問可低于50 ns，一般為幾十到幾百ns，正向壓降可低至0.9V左右，一般小于2.0 V，其反向耐壓多在1200V以下，可用于開關(guān)頻率為20-50kHz的場合。
 
  1. 快恢復二極管的反向恢復特性
  現(xiàn)代脈沖電路中大量使用晶體管或二極管作為開關(guān)，或者使用主要是由它們構(gòu)成的邏輯集成電路。而作為開關(guān)應用的二極管主要是利用了它的通態(tài)電阻很小、斷態(tài)電阻很大的特性，即二極管對正向及反向電流表現(xiàn)出的開關(guān)作用。二極管和一般開關(guān)的不同在于“開”與“關(guān)”由所加電壓的極性決定，而且“開”態(tài)有微小的壓降U_f，“關(guān)”態(tài)有微小的電流I_o。當電壓由正向變?yōu)榉聪驎r，電流并不立刻成為-I_o，而是在一段時間ts內(nèi)，反向電流始終很大，二極管井不關(guān)斷。經(jīng)過ts后，反向電流才逐漸變小，再經(jīng)過ts時間，二極管的電流才成為-I_o，這一過程如圖1所示。ts稱為儲存時間，tr稱為下降時間。Trr=ts+tr稱為反向恢復時間，以上過程稱為反內(nèi)恢復過程。

 
  二極管的反向恢復過程實際上是由電荷存諸效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷耗盡所需要的時間。該過程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當作開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時間比tr短，則二極管在正、反向都可導通，起不到開關(guān)作用。因此了解二極管反向恢復時間對正確選取二極管和合理設(shè)計電路至關(guān)重要。
  開關(guān)從導通狀態(tài)向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)變時，二極管在阻斷反向電流之前需要首先釋放存儲的電荷，這個放電時間被稱為反向恢復時間，在此期間電流反向流過二極管。即從正向?qū)?時到進入完全截止狀態(tài)的時間。
  反向恢復過程，實際上是由電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是正向?qū)〞rPN結(jié)存儲的電荷耗盡所需要的時間。假設(shè)為trr，若有一頻率為f1的連續(xù)PWM波通過二極管，當二極管反向恢復時間長時，二極管反方向時就不能阻斷此PWM波、起不到開關(guān)作用。反向恢復時間短使二極管能在導通和截止之間迅速轉(zhuǎn)換，可獲得較高的開關(guān)速度，提高了器件的使用頻率并改善波形。
  快恢復二極管的最主要特點是它的反向恢復時間(trr)在幾百ns以下，快速恢復外延二極管(FRED)、超快恢復二極管、SiC二極管甚至能達到幾十ns。所謂反向恢復時間trr嚴格的定義是：電流通過零點由正向轉(zhuǎn)換成反向，再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定值的時間間隔，它是衡量高頻續(xù)流及整流器件性能的重要技術(shù)指標。
  圖1中，IF為正向電流，IRM為最大反向恢復電流，Irr為反向恢復電流，通常規(guī)定Irr=0.1IRM。當t≤to時，正向電流I=IF。當t>t0時、由于整流管上的正向電壓突然變成反向電壓，因此，正向電流迅速減小，在t=t1時刻。I=0。然后整流管上的反向電流IR逐漸增大;在t=t2時刻達到電大反向恢復電流IRM值。此后通過環(huán)路放電，反向電流逐漸減小，并且在t=t3時刻達到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反向恢復過程與電容器放電過程有相仿之處。由t1到t3的時間間隔即為反向恢復時間trr。
  電子學應用中的電力開關(guān)(IGBT，MOSFET、BJT，GTO)和續(xù)流二極管一樣，在增加開關(guān)頻率時，電力開關(guān)的功能和效率，除了傳導損失外，是由二極管的關(guān)斷特性決定的Qr、IRM和trr特性，見圖1。
 
  2. 快恢復二極管的硬特性與軟特性。
  圖1中，反向電流特性的峰值反向電流IRM是一個很重要的性能，這個反向電流衰減的斜率d_in/d_t源于設(shè)計參數(shù)，F(xiàn)RED芯片的設(shè)計和擴散技術(shù)，在電路中，電流斜率會同寄生電感(例如連接導線)結(jié)合導致產(chǎn)生過電壓尖峰和高頻干擾電壓。d_irr/d_t越高(“硬”恢復特性)，引起二極管和并聯(lián)開關(guān)產(chǎn)生的附加應力越高。反向電流哀減慢(“軟恢復”特性)，是最理想的特性。這個設(shè)計思想用于所有的FRED。阻斷電壓的范圍廣，使得這些FRED用作開關(guān)型電源(SMPS)的輸出整流器成為可能，如用作逆變器和焊接電源的電力開關(guān)的保護和續(xù)流二極管。
  快恢復二極管的軟度由圖1定義，軟度因子為   S一般要求在0.5以上。
 
  3. 快恢復外延二極管
  快恢復二極管芯片PN結(jié)構(gòu)終止區(qū)用采用玻璃鈍化技術(shù)，其熱膨脹系數(shù)與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配。所有的硅芯片越來越多的使用保護環(huán)平面技術(shù)和溝道阻斷來降低芯片的表面電場。
  芯片的接觸區(qū)域真空沉積金屬層，實質(zhì)上這有助于它們的高功率循環(huán)應用能力和適合芯片的封裝工藝。所有在硅晶圓片上加工處理的芯片在樣品測試后，自動標識不符合電氣說明的芯片，然后世成小顆粒。芯片顆粒的可形狀是正方形或長方形的。玻璃鈍化平面處理二極管芯片終端截面的擴散層如圖2所示。
  現(xiàn)在整個晶片的底部表面可直接焊接到DCB或其他陶瓷基片，而不需要鉬片段沖應力。消除了應力緩沖和焊層，減少了熱阻，從而增加了阻斷電壓的穩(wěn)定性，降低了FRED的正向壓降，在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降，是二極管能夠?qū)ǖ恼蜃畹碗妷?，所以也降低了二極管的功率損耗。  
  FRED二極管在整個工作溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，并且對于溫度的變化，正向電壓降的變化可以忽略不計。該二極管是為高頻應用設(shè)計的，在高頻應用時穩(wěn)定可靠。由于單個芯片通態(tài)電流較小，大電流情況下一般并聯(lián)使用，組成大電流快恢復二極管模塊。由于是并聯(lián)使用，模塊的反向恢復時間要比單個芯片的長。并聯(lián)使用的結(jié)構(gòu)如圖3所示。


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