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快、柔和、低耗、高效:第 5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管的七字诀

2019-08-09
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在二极管中,超快恢复二极管是一个不可或缺的存在。由于仅有几十纳秒级的反向恢复时间,同时能够禁受得住几百伏甚至上千伏的反向高压,所以它们一直在中高功率的开关整流应用中大显身手。本文向你介绍第 5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管的秘诀。看到文末有彩蛋

在二极管中,超快恢复二极管是一个不可或缺的存在。由于仅有几十纳秒级的反向恢复时间,同时能够禁受得住几百伏甚至上千伏的反向高压,所以它们一直在中高功率的开关整流应用中大显身手。

众所周知,典型的 PN 结构造的二极管,当电压从正向切换为反向时,由于电荷存储效应,二极管上会产生一个瞬间较大的反向恢复电流,随后这个电流才会减小并进入反向截止状态,这就是反向恢复过程。Qrr(表示从指定的正向电流切换到反向截止状态所需的恢复电荷)和 trr(它表示从指定的正向电流到指定的反向电流所需的恢复时间)就是描述二极管反向恢复过程的两个重要参数,想让二极管更快地“动作”,就需要想办法减少 Qrr,缩短 trr


图1, Vishay 推出的第 5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管


为了实现这个目标,人们发现在二极管中掺杂贵金属是一种可行的办法。通过采用独特的掺铂(Pt)工艺,Vishay 推出了具有低 trr、高反向耐压特性的FRED Pt®(Fast Recovery Epitaxial Diodes) 超快恢复二极管系列。经过多年的发展,目前 FRED Pt® 已经演化到了第 5 代。


新推出的第 5 代 FRED Pt® 包括 6 个型号的器件,可以实现最快 26nS 的反向恢复时间(TJ= 25℃, IF= 1A, dIF/dt = 100A/μs, VR= 30V),恢复电荷最小仅有 1550nC(TJ= 125℃, IF= 40A, VR= 400V, dIF/dt = 600A/ms),反向截止电压为 1200V,额定电流可达 30A 至 60A,最大工作结温为 175℃……


如果我们仔细去查看最新一代 FRED Pt® 的 Datasheet,一定还能发现更多靓丽抢眼的性能参数。不过,要用最简洁的文字去归纳它的特性优势,只需要七个字,那就是 —— 快、柔和、低耗、高效。下面我们就来对这几个关键词逐个解读。


01


既然是叫“超快恢复二极管”这名字,“快”肯定就是其基本功了。第 5 代 FRED Pt® 的 6 个产品中包括 X 型的 Hyperfast 和 H 型的 Ultrafast 两种器件,它们的反向恢复时间在 26nS 到 38nS 之间,对于 30A - 60A、1200V 反向电压的大功率开关二极管,这是相当不错的成绩。


02

柔和

第 5 代 FRED Pt®系列器件都有一个独有的特征,就是和其他二极管整流技术相比,其反向恢复过程更“柔和”。如 图2 所示,在整个二极管的反向恢复规程中,与另外绿色和黄色竞品的表现比较,黑色曲线代表的第 5 代 FRED Pt®其最大的反向恢复电流 IRRM 峰值更低,而且波形更稳定,没有“毛刺”。对于整个系统来说,这种“柔和”的低振荡、低反向电压尖峰的特性,意味着更低的 EMI 和开关功率损耗,其价值不言而喻。

图2, 第 5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管
反向恢复特性曲线


03

低耗


二极管的功率损耗主要包括开关损耗、正向(导通)损耗和反向损耗三个部分,第 5 代 FRED Pt®在降低损耗上做了一系列优化,要说起来,这是一个并不简单的“系统工程”。

  • 开关损耗:对于高频器件,开关损耗对总功率损耗的影响更为突出。前面提到,由于第 5 代 FRED Pt® 的反向恢复时间 trr 更短,且反向恢复电流波形尖峰小、振荡小,这些因素都有效降低了开关损耗。


  • 正向损耗影响正向损耗的重要参数就是正向压降 VF,V越小正向损耗越低。不过从制造工艺原理上讲,更高的 trr 开关速度和更低的 V是难于同时实现的,往往减少 trr 的举措反而会令 V增加。而第 5 代 FRED Pt® 很好地实现了这两者之间平衡,在“快”的同时仍然保持了较低的 VF。比如第 5 代 FRED Pt®中 H 型整流器与同类整流器方案相比,在正向压降相同的情况下,开关损耗却降低了 40%,进而降低了整体功率损耗。


  • 反向损耗:得益于先进工艺带来的低漏电电流,第 5 代 FRED Pt® 也能够将反向损耗控制在低位。


上述诸多举措的合力,最终造就了第 5 代 FRED Pt® 的整体功率损耗,与同类硅片解决方案相比降低了 10%。

图3, 第 5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管
具有更低的功率损耗


04

高效


与低损耗直接关联的,就是器件更高的效率。第 5 代 FRED Pt® 转换率可以达到 98.3%,而竞品中最好的效率表现是 98.15%。虽然从数值上看仅有 0.15% 的差距,但是试想在一个 15KW 的电源中,这个差距就意味减少了 22.5W 的额外热量,热量低,电源系统所需的散热片就小,所以看似“细微”的效率提升,对电源系统整体性能改善的意义不容小觑。


而且,从图4中我们可以明显看到,效率提升之后,第 5 代 FRED Pt® 更加逼近 SiC 器件的效率表现,也就是说在 50kHz 频率应用范围中,完全可以用 FRED Pt® 这个硅器件替代昂贵的 SiC 二极管,获得更高的性价比!


图4, 第 5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管
功率损耗与其他方案的比较



05

市场定位和路线图


可见,快、柔和、低耗、高效——第 5 代FRED Pt® 超快恢复二极管的突出优势,让人难以拒绝。不过在实际应用中,想要精准选型,还是要对不同料号的特性以及 FRED Pt® 整体的发展路线有个清晰的了解。

图5, 第 5 代FRED Pt® 超快恢复二极管
 6 种器件性能一览


先来看一下 FRED Pt® 系列整个的发展历程。第 1 代 FRED Pt® 是收购自 IR 公司,在此基础上 Vishay 开发出了堪称经典的第2代产品,确立了整个产品系列高速、低功耗、柔和的“基调”,200V 至 1200V 广泛的产品线,基本上能够覆盖大多数低功率应用场景的需要,在此基础上发展出来的车规器件更是汽车应用的最爱。


从第 4 代产品开始, FRED Pt® 开始注重针对不同应用市场,打造更具“个性”的产品。比如 600V/650V 第 4 代 FRED Pt® 就更强调反向恢复的“柔和性”以及低正向导通压降的特性,是 IGBT 的好“伴侣”。


第 5 代 FRED Pt® 瞄准的是高功率、高开关频率、低开关损耗的应用。同为第 5 代的器件,其特性和定位也有差异,比如 X 型器件有更低的 Qrr 和更短的 trr,H 型器件则在正向导通压降上的表现更突出。开发者可以据此选择更合适的器件去满足特定应用的需要,如电动汽车充电桩(X 型)、太阳能(H 型)、高压直流电源(H 型)等。


图6, 第 2、4、5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管的
特性比较


图7, FRED Pt® 超快恢复二极管发展路线图


未来,第 5 代 FRED Pt®还会向两个方向去进化。其一,发展出车规器件——这显然是 Vishay 的强项——吃定这种高门槛应用 ( FRED Pt®AEC-Q101 认证产品已通过零件平均值测试 (PAT) 和统计良率界限 (SYL) 分析,确保电气参数满足汽车应用高质量水平的要求);其二,推出低压产品(600V / 650V),丰富产品线,扩大应用覆盖面。

到时候,希望第 5 代 FRED Pt® 的七字诀,能够在开发者的手中幻化出各种“神功”,惠及更多的用户。


读者有奖互动

看过上面的内容,相信你对第 5 代 FREDPt® 有了更多了解,请于 8 月 9 日 17:00 前在留言区写出下面问题的答案,我们将从中选取前10 位全部答对的粉丝送出粉丝礼(膳魔师保温杯)。
1.下面哪些选项属于第 5 代 FRED Pt® 超快恢复二极管特性:
A. 高效率低功耗   B. 柔和   C. 快   D. 以上都是

2.下面哪款产品适用于第 5 代 FRED Pt®的 X 型器件?
A. 电动汽车充电桩   B. 太阳能   C. 高压直流电源  D. 以上都是

3. 下面哪个选项电压适用于第 5 代 FREDPt®未来将推出的产品:
A. 1200V   B. 1000V   C. 600V/650V   D.200V

留言均由公众号管理员及运营者审核,审核后显示于留言区。本活动最终解释权归 Vishay 威世科技公众号所有!




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