快恢復二極管在高頻電路中的選型應用

潘永濤

（常州銀河世紀微電子股份有限公司，江蘇常州，213000)

0 引言

隨著電子設備中的開關電源越來越向小型化、高頻化發展，在電路中起到整流、逆變、變頻、續流等作用的快恢復二極管（開關管）應用也越來越廣泛。在各種電源線路中，對于快恢復二極管的選擇要求越來越細分。選型不當會產生EMC（電磁兼容）問題，特別是反向恢復時間（TRR，也稱作開關時間）選擇不當，會使二極管的開關功耗過大，造成元器件過熱燒損，同時降低二極管的開關損耗往往能顯著提高電源效率，開關電源等功率變換電路的性能指標也常常與所用的快恢復二極管十分有關，參數不合適的快恢復二極管不僅會降低電源指標，有時還會嚴重影響電源可靠性。在具體應用中需要綜合考慮二極管在電路各個位置的作用、工作狀態、電壓、電流、頻率、結電容等的應用情況。

1 快恢復二極管的概念與靜態特征

1.1 基本概念

二極管的PN結（由摻雜半導體形成）是將一種本征半導體兩邊不同摻雜，使一邊變成P型半導體，另一邊形成N型半導體。在兩者的交界處，便形成一層很薄的特殊導電層。這個特殊導電層稱為PN結， PN結的主要特性是單向導電性[1]。

將PN結芯片用塑封料、玻璃、金屬等外殼封裝起來，并加上電極引線就構成了半導體二極管。由P區引出的電極為陽極（A），由N區引出的電極為陰極（K）。二極管加正向電壓時，PN結變窄， 正向電流大，正向電阻較小，處于導通狀態；二極管加反向電壓時，PN結變寬，反向電流小，反向電阻大，處于截止狀態[1]。結構如圖1所示。

圖1 二極管結構

1.2 靜態特性

二極管的靜態伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 二極管伏安特性曲線

圖中UON為開啟電壓，即二極管開始導通的臨界電壓（與半導體材料費米能級有關），UBR為擊穿電壓，IS為反向飽和電流。

1.2.1 正向特性

額定正向平均電流（IF(AV)）：在規定的管殼溫度和散熱條件下允許通過的最大工頻半波電流的平均值，元件標稱的額定電流就是這個電流。電流的大小由芯片大小、封裝結構、散熱條件決定，使用時必須按照生產廠家提供的溫度曲線降額使用[2]。

正向壓降（VF）：在規定溫度下，流過某一穩定正向電流時所對應的正向壓降。正向壓降隨通過的電流降低而降低，也隨溫度升高而降低。測試時必須注意測試導線帶來的壓降誤差，可用四端法測試，消除線壓降的誤差。

正向浪涌電流（IFSM）：二極管承受電路中過流脈沖電流的能力[3]。在60H（Z8.3ms)單相正弦半波，附加額定負載（或在工作結溫）時二極管所能承受最大的浪涌電流。浪涌電流大小與二極管芯片大小、正向壓降有關。

1.2.2 反向特性

反向重復峰值電壓（VRRM）：二極管能重復施加的反向最高電壓[4,5]。VRRM一般取二極管的轉折電壓（VB）的90%。

反向漏電流（IR）：室溫下施加規定的反向電壓時測得的漏電流[5]。它對溫度較敏感，測試時漏電流隨著溫度上升而增大，多次測試正反向參數時，芯片發熱，漏電會增加。理想狀態下二極管的漏電流就是反向飽和電流IS，只和芯片材料、芯片大小有關。但在二極管芯片制造、封裝過程或多或少會帶入雜質造成漏電流增加，影響產品的性能與壽命。漏電流的大小特別是高溫漏電流的穩定性是衡量二極管可靠性的重要參數。

2 快恢復二極管的開關特性

由于二極管在電路電壓正反向切換時，PN結的電場電荷的注入與抽取需要一定的時間，這就決定了二極管不會是瞬時開通與關斷，呈現出類似電容的充放電狀態，會有一個影響開關時間也即正反向恢復時間的勢壘電容。在高頻率電路中，二極管的勢壘電容具有極低的阻抗，如果這個勢壘電容自身的容值達到一定程度，會嚴重影響二極管的開關性能，在極端情況下會使二極管發生短路，高頻電流不再穿過二極管，而直接繞過勢壘電容，從而導致二極管失效[6]。

2.1 開通特性

二極管開通時間特性如圖3（a）所示。開通初期出現較大的正向峰值電壓UFP，隨后電壓下降，電壓達到穩態正向壓降的1.1倍的時間稱為二極管正向開通時間TFR。選用工作在開關狀態的二極管時，必須注意UFP和TFR這二個參數，它們決定二極管開通損耗的大小，對二極管工作時的溫升影響很大。在某些電路中，如果二極管UFP太大，電路甚至不能正常工作。

2.2 關斷特性

二極管正在通過大的正向電流而突加反向電壓時，反向阻斷能力的恢復過程如圖3(b)所示。

圖3 二極管開關過程中電壓電流波形

在T0瞬時，正向通電狀態的二極管施加反向電壓，正向電流IF以dif/dt速率減小, dif/dt的大小由反向電壓UR和分布電感所決定。在T1瞬時，二極管電流過零，由于PN結的電荷存儲效應，存儲電荷消失前，二極管未恢復阻斷能力，電流繼續以相同速率反向增大，此時，正向壓降稍有下降。在T2時刻，電流達最大反向電流IRM，二極管開始恢復阻斷能力，承受反向電壓。T2以后，二極管承受反向電壓的能力迅速提高，反向電流迅速下降，下降速率為dir/dt，它通過線路電感會感生較高電壓，再加上反向電壓UR后形成最大反向電壓URM。在T3時刻，反向電流減小到0.1IRM。T1到T3的時間TRR被稱為二極管反向恢復時間，也稱作“開關時間”

在高頻電路中，工作在開關狀態的二極管，它的反向恢復特性對電路性能的影響非常大。首先，在頻率較高的電路中，二極管的TRR必需足夠小，否則二極管無法關斷，即使電路能工作，二極管的損耗也將很大，電路效率會降低。其次，如果僅追求TRR小，忽視二極管反向恢復過程中的電流過沖IRM和速率dir/dt，可能會出現嚴重的電磁震蕩。

由圖3（b）可知,TRR是由T1-T2和T2-T3 兩部分組成，在T1-T2期間，承受反向電壓的二極管，電流由零反向增大到IRM，IRM的大小主要由存儲電荷數量和正向電流的下降速度即dif/dt決定，在一定的dif/dt下，IRM越大，T1-T2的時間就會越長，也就是TRR會增大。而且，IRM大也會使二極管高頻工作電路中的電流波型上迭加的尖峰增大。

在T2-T3期間，IRM在反向電壓作用下，以dir/dt速率迅速減小。雖然從工作頻率和損耗的角度要求，TRR越小越好。而作為TRR組成部分的T2-T3的時間，反而希望它能長些，即dir/dt要小，也就是說反向恢復特性要“軟”。若dir/dt過大，反向特性太“硬”，由于電路中存在的分布電感、電容的影響，會出現強烈振蕩，產生噪聲和嚴重的寄生干擾，使電路不能穩定工作，且dir/dt過大，還會使dir/dt與UR迭加形成的URM過高，在電路中產生電壓尖峰，嚴重時甚至會使二極管損壞。

衡量反向恢復特性的硬軟，用稱為“軟度系數”的參數來表示二極管反向恢復特性的軟硬程度，如下公式（2），S 為軟度系數，它定義為:

由上式可知，S實際上是二極管反向恢復過程中，兩個時間段的反向電流IR從零到IRM的時間和從IRM到0.1 IRM的時間之比。S值大，則認為恢復特性較軟，S值小，則認為恢復特性較硬。

根據式（2），加大（T3-T2）或減小（T2-T1），都能增大S。測試二極管反向恢復特性時，通常以一固定的dif/dt(正向電流衰減速率)作為測試條件，因此，S 值就由dir/dt決定，它反映出了恢復特性的硬軟。

在高頻電路中工作的二極管，要求它的反向恢復時間TRR要越小越好，這是有前提的，就是它的恢復特性要有一定的軟度。因此，TRR小的二極管，它的IRM一定要小。如果TRR小了，而IRM沒小，恢復特性就變硬，這將會對電路產生不良影響。也可以簡單地用UR/URM來表示恢復特性的硬軟，UR為二極管上所加的反向電壓，URM是反向恢復過程中的最大反向電壓，大小由dir/dt和分布電感決定。UR/URM小，恢復特性較硬，顯然對電路將產生較大的不良影響。UR/URM大，恢復特性軟，二極管的開關過程對工作電路的不良影響將會減小。

實例：如下圖，反向恢復時間相同的快恢復二極管，圖4（a）二極管在線路中會產生較大的震蕩與噪聲，造成EMC測試失效，更換圖4（b）反向過沖電流較小的“軟”恢復特性二極管，EMC測試合格。

圖4 不同“軟”度的反向恢復曲線

2.3 通電過程中的功耗

快恢復二極管在電路中的損耗P如式（3）所示，由四部分組成。

式中，Pfr是二極管正向開通過程中的損耗，Pf是二極管導通時的損耗，Prr是二極管反向恢復過程中的損耗，Pr是二極管關斷承受反向電壓時的損耗。Pf和Pr為靜態損耗，工作電流確定后，Pf由正向壓降VF決定。反向電壓確定后，Pr由反向漏電流IR決定，與電路的工作方式關系不大，且很容易估算。Pfr和Prr為開關損耗，在一定的工作頻率下，Pfr由施加的正向電壓UF和TF（R正向恢復時間，與反向恢復時間TRR正相關）決定，Prr由IRM和TRR決定。由于是開關損耗，它們與電路的工作頻率有直接關系，在高頻電路中，二極管的開關損耗會遠大于靜態損耗。

圖5是快恢復二極管在一個波形周期內的功耗曲線，由四部分組成。其中Pr由于反向漏電流是微安級，在總功耗中可以忽略不計。因此二極管功耗取決于導通功耗Pf、開關功耗Pfr和Prr，實際上在通電電流確定的電路中，取決于正向壓降VF和開關時間TRR。

圖5 二極管通電過程中的功耗損耗

3 快回復二極管在線路中的選型

目前市場上常規的快恢復二極管有三個系列：快恢復二極管（FR系列，fast recovery rectifier）、高效率二極管（HER系列，high efficiency rectifier）、超快二極管（SF系列，super fast rectifier），詳細參數見表1。

表1 快恢復二極管分類

快回復二極管在線路中的選型，主要考慮降低二極管在線路中的功耗、防止輸出效率下降以及減少電磁震蕩。需要從反向恢復時間、正向壓降和反向耐壓等方面選擇適合的快恢復二極管。

3.1 反向恢復時間TRR的選擇

根據二極管在線路中的頻率，選擇TRR盡量小的二極管，一般的經驗是：頻率的倒數/100（ns）。例如在100K HZ電路中，宜選擇100ns以下的快恢復二極管。同時盡量選擇“軟”恢復特性的二極管。生產廠家的規格書中一般不會標注“軟度系數”，如果應用電路對EMC及頻率噪聲有要求，可以通過測試反向恢復曲線來選擇較“軟”恢復的二極管。

3.2 正向壓降VF的選擇

盡量選擇VF小的二極管，以降低正向開通功耗。在開關頻率較小的電路中這是最主要的發熱及功耗因素。但是VF與TRR有反比的關系，因此，在頻率較小的電路中，如果普通的快恢復二極管的TRR能滿足線路要求，不必選擇超快二極管，以免增加正向功耗。

3.3 選擇適當的反向電壓

在快恢復二極管的選用中，線路設計人員一般會選擇TRR小（開關功耗小），VF小（正向功耗小），VRRM大（反向電壓大）的二極管。由于快恢復二極管的反向耐壓VRRM越大，VF也會增大。一般選擇反向電壓有50%以上的余量即可。如果二極管在線路中工作電流較小，正向功耗不大，為了增加抗浪涌電壓的能力，可以不考慮正向壓降VF，選擇較高耐壓的二極管。

4 結論

快恢復二極管在電路中的選用，需要兼顧降低發熱功耗和防止線路震蕩。一是根據線路頻率選擇適當的TRR，同時要求恢復曲線越“軟”越好；二是選擇VF較小的二極管，同時兼顧反向耐壓VRRM越大越好。需要注意的是TRR隨溫度升高而變大，因此還需要考慮通電過程中高溫下TRR的變化率。