快速恢復(fù)外延二極管FRED

  快速恢復(fù)外延二極管也稱快速功率二極管，是快恢復(fù)二極管(FRD)的一種，簡(jiǎn)稱FRED。
  快速恢復(fù)外延二極管(FRED)主要應(yīng)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(fù)時(shí)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(chǎng)合。
 
  1. 快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)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(yīng)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(duì)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(dāng)電壓由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，電流并不立刻成為-I_o，而是在一段時(shí)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(shí)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(chǔ)存時(shí)間，tr稱為下降時(shí)間。Trr=ts+tr稱為反向恢復(fù)時(shí)間，以上過程稱為反內(nèi)恢復(fù)過程。

 
  二極管的反向恢復(fù)過程實(shí)際上是由電荷存諸效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷耗盡所需要的時(shí)間。該過程使二極管不能在快速連續(xù)脈沖下當(dāng)作開關(guān)使用。如果反向脈沖的持續(xù)時(shí)間比tr短，則二極管在正、反向都可導(dǎo)通，起不到開關(guān)作用。因此了解二極管反向恢復(fù)時(shí)間對(duì)正確選取二極管和合理設(shè)計(jì)電路至關(guān)重要。
  開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，二極管在阻斷反向電流之前需要首先釋放存儲(chǔ)的電荷，這個(gè)放電時(shí)間被稱為反向恢復(fù)時(shí)間，在此期間電流反向流過二極管。即從正向?qū)?時(shí)到進(jìn)入完全截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)間。
  反向恢復(fù)過程，實(shí)際上是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時(shí)間就是正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)存儲(chǔ)的電荷耗盡所需要的時(shí)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(dāng)二極管反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，二極管反方向時(shí)就不能阻斷此PWM波、起不到開關(guān)作用。反向恢復(fù)時(shí)間短使二極管能在導(dǎo)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(fù)二極管的最主要特點(diǎn)是它的反向恢復(fù)時(shí)間(trr)在幾百ns以下，快速恢復(fù)外延二極管(FRED)、超快恢復(fù)二極管、SiC二極管甚至能達(dá)到幾十ns。所謂反向恢復(fù)時(shí)間trr嚴(yán)格的定義是：電流通過零點(diǎn)由正向轉(zhuǎn)換成反向，再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定值的時(shí)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(biāo)。
  圖1中，IF為正向電流，IRM為最大反向恢復(fù)電流，Irr為反向恢復(fù)電流，通常規(guī)定Irr=0.1IRM。當(dāng)t≤to時(shí)，正向電流I=IF。當(dāng)t>t0時(shí)、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(shí)刻。I=0。然后整流管上的反向電流IR逐漸增大;在t=t2時(shí)刻達(dá)到電大反向恢復(fù)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(shí)刻達(dá)到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反向恢復(fù)過程與電容器放電過程有相仿之處。由t1到t3的時(shí)間間隔即為反向恢復(fù)時(shí)間trr。
  電子學(xué)應(yīng)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(shí)，電力開關(guān)的功能和效率，除了傳導(dǎo)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(fù)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(gè)很重要的性能，這個(gè)反向電流衰減的斜率d_in/d_t源于設(shè)計(jì)參數(shù)，F(xiàn)RED芯片的設(shè)計(jì)和擴(kuò)散技術(shù)，在電路中，電流斜率會(huì)同寄生電感(例如連接導(dǎo)線)結(jié)合導(dǎo)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(fù)特性)，引起二極管和并聯(lián)開關(guān)產(chǎn)生的附加應(yīng)力越高。反向電流哀減慢(“軟恢復(fù)”特性)，是最理想的特性。這個(gè)設(shè)計(jì)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(hù)和續(xù)流二極管。
  快恢復(fù)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(fù)外延二極管
  快恢復(fù)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(hù)環(huán)平面技術(shù)和溝道阻斷來降低芯片的表面電場(chǎng)。
  芯片的接觸區(qū)域真空沉積金屬層，實(shí)質(zhì)上這有助于它們的高功率循環(huán)應(yīng)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(cè)試后，自動(dòng)標(biāo)識(shí)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(zhǎng)方形的。玻璃鈍化平面處理二極管芯片終端截面的擴(kuò)散層如圖2所示。
  現(xiàn)在整個(gè)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(yīng)力。消除了應(yīng)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(gè)工作溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，并且對(duì)于溫度的變化，正向電壓降的變化可以忽略不計(jì)。該二極管是為高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的，在高頻應(yīng)用時(shí)穩(wěn)定可靠。由于單個(gè)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(fù)二極管模塊。由于是并聯(lián)使用，模塊的反向恢復(fù)時(shí)間要比單個(gè)芯片的長(zhǎng)。并聯(lián)使用的結(jié)構(gòu)如圖3所示。


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