一种新型超快速软恢复外延二极管

1.     引言

    随着高频开关功率器件的发展，高频开关电源在我们生活中的应用越加广泛和深入。应用在高频开关电路中的二极管主要是快速恢复外延二极管，简称FRED（Fast Recovery Epitaxial Diode）。虽然FRED不是开关电源中的主动开关器件，但是在高频开关电路中应用到主开关器件的地方都必须配合使用FRED。性能良好的FRED对提高开关电源总体性能而言是至关重要的。

    但是很多工程师在选择FRED时，都只是片面注重反向恢复时间t_rr等单一参数来进行横向比较及最终选择FRED产品进行设计和测试。衡量一个FRED器件是否符合某个产品的具体应用，单个参数的对比是不够的。而且半导体器件的性能参数都是以厂家设定的情况下的测试数据描述的，所以测试条件不同，参数大都不同。所以本文这里列出了FRED关键性能的参数来描述它们在具体应用中的影响，并以次为描述Microsemi公司DQ 系列FRED的主要优点，为客户的选择和设计提供参考。

2.     二极管的主要性能参数

2.1.    静态参数

下图为二极管静态特性的基本描述。静态特性又分为正向导通特性和反向阻断特性。

图1 二极管静态特性

1）    I_F – 二极管的正向电流。通常都用最大正向直流电流I_FAV来描述二极管的容量或带载能力。这个参数可通过如下公式计算：

对用户应用而言，不同的壳温有不同对应的I_FAV数值。

2）    V_F – 二极管的正向导通电压。V_F随着二极管正向电流I_F的增加而增加。V_F是负温度系数，所以基本不建议二极管并联。V_F和I _F的乘积为二极管的导通损耗，所以一般情况下，希望二极管的V_F值尽量小。

3）    V_R – 二极管的最大反向阻断电压。这是二极管最大工作的额定电压。在二极管的规格书内这个数值统一了最大重复反向电压峰值V_RRM以及最大反向工作电压峰值V_RWM。这个参数具有正温度系数，通常规格书都标称25⁰C的最小值。

4）    I_RM –二极管最大反向漏电流。这是一个具有正温度系数的参数。这个数值与V_R的乘积为二极管阻断状态下的损耗。另外这个数值是影响二极管的可靠性的相关参数。

5）    E_AVL –雪崩耐量。这个参数用于描述二极管的鲁棒性。如果电路实际电压超过V_R值，一般情况下二极管都会损坏。但是对于某些具有雪崩耐量额定E_AVL的二极管，如DQ，如果电压尖峰总能量小于雪崩耐量额定E_AVL，二极管仍然不会损坏。

2.2.    动态参数

    下图为二极管动态特性的基本描述。在不同的测试条件，如I_F，V_R，di/dt，T_J等，测试的结果就会不同。所有的参数对比必须在同样的测试条件下才有意义。

图2 二极管动态特性

1）    t_rr – 反向恢复时间。其定义是从电流过零开始，直到通过I_RRM和0.25 I_RRM两点的直线的过零点，如上图所示。这个参数描述二极管反向恢复的速度，在ZVS电路中是比较重要的指标。但是它不能直接衡量二极管的反向损耗。一般情况下，t_rr的值随温度的增加而大幅度增加，随测试di/dt的增加而小幅度减小，低I_F，V_R有小的t_rr值。通常不同生产厂家都会给出小注入条件I_FAV=1A时的t_rr作为用户横向对比。

2）    I_RRM – 最大反向恢复电流。这参数的大小将严重影响对应IGBT/MOSFET的电流应力和开通损耗。一般情况下，I_RRM值随温度的增加而增加，随测试di/dt的增加而增加。

3）    Q_rr – 反向恢复电荷。Q_rr 定义为t_rr 期间电流-时间曲线包围的面积。

Q_rr与二极管的反向恢复损耗呈正比。衡量二极管的关断损耗性能的参数应该是Q_rr，而不应该是单独的t_rr或I_RRM。

[page]3.     DQ系列FRED的主要优点

3.1.    软恢复

    所谓的软恢复指的是在二极管反向恢复的过程中，电压，电流的变化是平缓的，没有出现任何振荡或过冲现象。软恢复的特征可以通过与常规的二极管恢复进行对比来更好理解。

图3 DQ二极管的软恢复特性

具有软恢复的二极管在开关电路中的应用，将不需要任何的吸收，而且不会产生EMI问题。这对用户而言，可以简化系统设计和降低成本。

3.2.    超快恢复

    从上图可以看出，根据trr的定义，软恢复二极管的t_rr一般情况都会比传统的FRED大些。传统的超快FRED是片面追求小t_rr的而使FRED在恢复的过程中出现振荡现象。常规上超快恢复的目的就是降低二极管的反向恢复损耗而使管子用在尽量高的频率。所以真正理解超快恢复应该需要Q_rr和t_rr同时考虑。

图4 多种具有软恢复特性的二极管对比

   上图的测试数据可以体现出DQ二极管的快速恢复的特性，具有更小的Q_rr和t_rr。

   快速的反向恢复可以降低二极管本身的损耗，也可以降低对应IGBT/MOSFE的开通损耗E_on。

    下表是APT8DQ60K的动态参数以及测试条件。常温条件下小电流注入时t_rr=14nS，大电流注入时t_rr=19nS。这些参数足够与其它所谓超快非软恢复的二极管媲美。

表1 APT8DQ60K的动态参数列表

3.3.   低I_RRM

   从上面图3，图4两个对比测试波形来看，Microsemi公司的DQ系列的产品与传统的FRED对比而言，软恢复的I_RRM小许多。小的I_RRM意味更小的电流应力和更小的Q_rr值，同样意味着对应的IGBT/MOSFET有更小的开通损耗E_on和电流应力。

3.4.    高T_J

    更高的T_J意味芯片带载的能力更强。从二极管的额定电流的定义可以知道，用户通过同样的热设计来获得同样的壳温T_C，可以有更大的裕量。从下面的示例来看，APT8DQ60K在常规的壳温T_C=100⁰C条件下，I_FAV应该是11A。

图5 二极管的I_FAV与T_C关系曲线

3.5.    高雪崩耐量E_AVL

雪崩耐量可以通过如下的UIS测试电路：

图6 二极管UIS测试电路

这个测试基本可以模拟电路中由于漏感引起的电压尖峰的情况。APT8DQ60K的UIS测试情况如下：

图7 APT8DQ60K的雪崩耐量测试数据

从上图可以看出，600V的管子经受将近800V的电压尖峰之后，仍然可以正常工作。经过计算可得。为保证器件长期安全运作，这个数值在规格书中降低定为60mJ。

3.6.    低漏电流I_R

    对很多用户来讲，大都不会注意这个数值，是因为大多数的二极管的漏电流都是uA级别，对客户的损耗影响不大。但是某些二极管在高温，如T_J=125⁰C情况下，漏电流达到mA级别，这个时候就需要考虑其损耗。

[page]4.     应用实例

    我们提供样品APT8DQ60K应用在客户500W单相UPS的PFC中，如下：

图8  500W输出的PFC电路

测试内容包括系统的EMI，FRED和MOSFET的电压，电流和温升。

图9 APT8DQ60K的实际波形

上图为APT8DQ60K在电路中的波形。电流波形由于示波器的展开有些失真；电压波形基本可以看出无任何的振荡或过冲现象，不需要任何的吸收电路，降低成本。

图10 EMI测试波形

上图为客户原先使用的常规二极管和APT8DQ60K的EMI水平扫描波形。可以明显看出，软恢复的二极管在抑制EMI方面有良好的性能。

表2 500W PFC主要参数测量

    上表为主要测试参数的对比。可以明显看出，同样是4A/600V的管子，软恢复的FRED能够降低系统的EMI问题，降低FRED和MOS的温升，提高系统效率。8A的FRED可以降低自己本身的损耗。相对于竞争对手A的二极管，APTDQ60K在降低本身损耗，降低系统EMI有更加明显的效果。

5. 结论

    基于如上的参数描述和测试数据，我们可以更好地理解Microsemi公司DQ系列二极管具有低漏电流，高雪崩耐量，超快速软恢复，最高节温可达175⁰C等优点，并能理解这些优点对用户的产品设计有降低系统EMI和成本，提高系统效率和可靠性等方面的优点。用户在选择二极管的时候应该综合考虑t_rr，Q_rr，I_RRM等参数和其测试条件。

    目前Microsemi公司DQ系列的产品有600V，1000V，1200V三个电压等级，全部产品都已经满足RoHS，为无铅产品。分立封装的电流额定范围为8-100A。这个二极管芯片也应用在Microsemi公司的IGBT中作为反并联续流用二极管来提高IGBT产品在桥式变换器中的可靠应用。在IGBT，MOSFET模块产品中也应用了这个系列的二极管。

    600V的DQ二极管可以应用在各种开关电源的BOOST拓扑的PFC当中，如通信电源，UPS，电子镇流器中，也可以用在单相交流输入或低直流电压输入产品的逆变器中作为续流二极管，如便携式单相焊机，太阳能逆变器等。1000V，1200V可以应用在三相交流输入产品的桥式变换器中，如感应加热，UPS，焊机等。

参考文献：
1.   “Defining Diode Data Sheet Parameters”，APT0301，Microsemi Corporation
2.   “APT DQ FRED Technology”, Shanqi Zhao, Advanced Power Technology
3.   “Power Electronics”, Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P, Robbins