DIODE设计规范
目的:本规范统一阐述了DIODE在电源应用中须遵循之基本要求。主要内容除了了功率DIODE在电源应用中的一般规定及设计验证项目外,还包括了DIODE的基本常识,特性,选择,应用等方面的内容。各部分自成体系,皆具有相当的独立性,以便适合不同阶段、不同应用或查询者的需求。
1 Diode基本原理介绍
1.1 二极管的工作原理晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场。当不存在外加电压时,由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
当外加的反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程,产生大量电子空穴对,产生了数值很大的反向击穿电流,称为二极管的击穿现象。
1.2 二极管的类型
1.2.1 按构造分类 半导体二极管主要是依靠PN结而工作的。与PN结不可分割的点接触型和肖特基型,也被列入一般的二极管的范围内。
包括这两种型号在内,根据PN结构造面的特点,把晶体二极管分类如下:
1、 点接触型二极管 点接触型二极管是在锗或硅材料的单晶片上压触一根金属针后,再通过电流法而形成的。因此,其PN结的静电容量小,适用于高频电路。但是,与面结型相比较,点接触型二极管正向特性和反向特性都差,因此,不能使用于大电流和整流。因为构造简单,所以价格便宜。对于小信号的检波、整流、调制、混频和限幅等一般用途而言,它是应用范围较广的类型。
2、键型二极管 键型二极管是在锗或硅的单晶片上熔接或银的细丝而形成的。其特性介于点接触型二极管和合金型二极管之间。与点接触型相比较,虽然键型二极管的PN结电容量稍有增加,但正向特性特别优良。 键型二极管多作开关用,有时也被应用于检波和电源整流(不大于50mA)。在键型二极管中,熔接金丝的二极管有时被称金键型,熔接银丝的二极管有时被称为银键型。
3、合金型二极管 在N型锗或硅的单晶片上,通过合金铟、铝等金属的方法制作PN结而形成的。正向电压降小,适于大电流整流。因其PN结反向时静电容量大,所以不适于高频检波和高频整流。
4、扩散型二极管 在高温的P型杂质气体中,加热N型锗或硅的单晶片,使单晶片表面的一部变成P型,以此法PN结。因PN结正向电压降小,适用于大电流整流。最近,使用大电流整流器的主流已由硅合金型转移到硅扩散型。
5、台面型二极管 PN结的制作方法虽然与扩散型相同,但是,只保留PN结及其必要的部分,把不必要的部分用药品腐蚀掉。其剩余的部分便呈现出台面形,因而得名。初期生产的台面型,是对半导体材料使用扩散法而制成的。因此,又把这种台面型称为扩散台面型。对于这一类型来说,似乎大电流整流用的产品型号很少,而小电流开关用的产品型号却很多。
6、平面型二极管 在半导体单晶片(主要地是N型硅单晶片)上,扩散P型杂质,利用硅片表面氧化膜的屏蔽作用,在N型硅单晶片上仅选择性地扩散一部分而形成的PN结。因此,不需要为调整PN结面积的药品腐蚀作用。由于半导体表面被制作得平整,故而得名。并且,PN结合的表面,因被氧化膜覆盖,所以公认为是稳定性好和寿命长的类型。最初,对于被使用的半导体材料是采用外延法形成的,故又把平面型称为外延平面型。对平面型二极管而言,似乎使用于大电流整流用的型号很少,而作小电流开关用的型号则很多。
7、合金扩散型二极管 它是合金型的一种。合金材料是容易被扩散的材料。把难以制作的材料通过巧妙地掺配杂质,就能与合金一起过扩散,以便在已经形成的PN结中获得杂质的恰当的浓度分布。此法适用于制造高灵敏度的变容二极管。
8、外延型二极管 用外延面长的过程制造PN结而形成的二极管。制造时需要非常高超的技术。因能随意地控制杂质的不同浓度的分布,故适宜于制造高灵敏度的变容二极管。
9、肖特基二极管 基本原理是:在金属(例如铅)和半导体(N型硅片)的接触面上,用已形成的肖特基来阻挡反向电压。肖特基与PN结的整流作用原理有根本性的差异。其耐压程度只有40V左右。其特长是:开关速度非常快:反向恢复时间trr特别地短。因此,能制作开关二极和低压大电流整流二极管。
1.2.2 根据用途分类
1、 检波用二极管就原理而言,从输入信号中取出调制信号是检波,以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达400MHz,正向压降小,结电容小,检波效率高,频率特性好,为2AP型。类似点触型那样检波用的二极管,除用于检波外,还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。
2、整流用二极管 就原理而言,从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小(100mA)作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。面结型,工作频率小于KHz,最高反向电压从25伏至3000伏分A~X共22档。分类如下:①硅半导体整流二极管2CZ型、②硅桥式整流器QL型、③用于电视机高压硅堆工作频率近100KHz的2CLG型。
3、限幅用二极管 大多数二极管能作为限幅使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用,通常使用硅材料制造的二极管。也有这样的组件出售:依据限制电压需要,把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。
4、调制用二极管 通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途,但它们通常是直接作为调频用。
5、混频用二极管 使用二极管混频方式时,在500~10,000Hz的频率范围内,多采用肖特基型和点接触型二极管。
6、放大用二极管 用二极管放大,大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大,以及用变容二极管的参量放大。因此,放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管和变容二极管。
7、开关用二极管 有在小电流下(10mA程度)使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管,也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短,因而是理想的开关二极管。2AK型点接触为中速开关电路用;2CK型平面接触为高速开关电路用;用于开关、限幅、钳位或检波等电路;肖特基(SBD)硅大电流开关,正向压降小,速度快、效率高。
8、变容二极管 用于自动频率控制(AFC)和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压, 使其PN结的静电容量发生变化。因此,被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常,虽然是采用硅的扩散型二极管,但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管,因为这些二极管对于电压而言,其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化,取代可变电容,用作调谐回路、振荡电路、锁相环路,常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路,多以硅材料制作。
9、频率倍增用二极管 对二极管的频率倍增作用而言,有依靠变容二极管的频率倍增和依靠阶跃(即急变)二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器,可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同,但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管,从导通切换到关闭时的反向恢复时间trr短,因此,其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波,那么,因tt(转移时间)短,所以输出波形急骤地被夹断,故能产生很多高频谐波。
10、稳压二极管 是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压(又称齐纳电压)从3V左右到150V,按每隔10%,能划分成许多等级。在功率方面,也有从200mW至100W以上的产品。工作在反向击穿状态,硅材料制作,动态电阻RZ很小,一般为2CW型;将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为2DW型。
11、PIN型二极管(PIN Diode) 这是在P区和N区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造的晶体二极管。PIN中的I是“本征”意义的英文略语。当其工作频率超过100MHz时,由于少数载流子的存贮效应和“本征”层中的渡越时间效应,其二极管失去整流作用而变成阻抗元件,并且,其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时,“本征”区的阻抗很高;在直流正向偏置时,由于载流子注入“本征”区,而使“本征”区呈现出低阻抗状态。因此,可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用。它常被应用于高频开关(即微波开关)、移相、调制、限幅等电路中。
12、 雪崩二极管 (Avalanche Diode) 它是在外加电压作用下可以产生高频振荡的晶体管。产生高频振荡的工作原理是栾的:利用雪崩击穿对晶体注入载流子,因载流子渡越晶片需要一定的时间,所以其电流滞后于电压,出现延迟时间,若适当地控制渡越时间,那么,在电流和电压关系上就会出现负阻效应,从而产生高频振荡。它常被应用于微波领域的振荡电路中。
13、江崎二极管 (Tunnel Diode) 它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。其基底材料是砷化镓和锗。其P型区的N型区是高掺杂的(即高浓度杂质的)。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生。发生隧道效应具备如下三个条件:①费米能级位于导带和满带内;②空间电荷层宽度必须很窄(0.01微米以下);简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。江崎二极管为双端子有源器件。其主要参数有峰谷电流比(IP/PV),其中,下标“P”代表“峰”;而下标“V”代表“谷”。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中(其工作频率可达毫米波段),也可以被应用于高速开关电路中。
14、快速关断(阶跃恢复)二极管 (Step Recovery Diode) 它也是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是:在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区,从而形成“自助电场”。由于PN结在正向偏压下,以少数载流子导电,并在PN结附近具有电荷存贮效应,使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值(反向饱和电流值)。阶跃恢复二极管的“自助电场”缩短了存贮时间,使反向电流快速截止,并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断(阶跃恢复)二极管用于脉冲和高次谐波电路中。
15、肖特基二极管 (Schottky Barrier Diode) 它是具有肖特基特性的“金属半导体结”的二极管。其正向起始电压较低。其金属层除材料外,还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓,多为N型半导体。这种器件是由多数载流子导电的,所以,其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微,所以其频率响仅为RC时间常数限制,因而,它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达100GHz。并且,MIS(金属-绝缘体-半导体)肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。
16、阻尼二极管 具有较高的反向工作电压和峰值电流,正向压降小,高频高压整流二极管,用在电视机行扫描电路作阻尼和升压整流用。
17、瞬变电压抑制二极管 瞬变电压抑制二极管简称为TVS,它是箝位型的干扰吸收器件,它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。其应用是与被保护设备并联使用,可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压,以及感应雷击所产生的过电压。TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种;按用途可分为通用型和专用型;按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。
18、双基极二极管(单结晶体管) 两个基极,一个发射极的三端负阻器件,用于张驰振荡电路,定时电压读出电路中,它具有频率易调、温度稳定性好等优点。
19、发光二极管 用磷化镓、磷砷化镓材料制成,体积小,正向驱动发光。工作电压低,工作电流小,发光均匀、寿命长、可发红、黄、绿单色光。
1.2.3 根据特性分类 点接触型二极管,按正向和反向特性分类如下。
1、普通点接触型二极管 这种二极管正如标题所说的那样,通常被使用于检波和整流电路中,是正向和反向特性既不特别好,也不特别坏的中间产品。如:SD34、SD46、1N34A等等属于这一类。
2、高反向耐压点接触型二极管 是最大峰值反向电压和最大直流反向电压很高的产品。使用于高压电路的检波和整流。这种型号的二极管一般正向特性不太好或一般。在点接触型锗二极管中,有SD38、1N38A、OA81等等。这种锗材料二极管,其耐压受到限制。要求更高时有硅合金和扩散型。
3、高反向电阻点接触型二极管 正向电压特性和一般用二极管相同。虽然其反方向耐压也是特别地高,但反向电流小,因此其特长是反向电阻高。使用于高输入电阻的电路和高阻负荷电阻的电路中,就锗材料高反向电阻型二极管而言,SD54、1N54A等等属于这类二极管。
4、高传导点接触型二极管 它与高反向电阻型相反。其反向特性尽管很差,但使正向电阻变得足够小。对高传导点接触型二极管而言,有SD56、1N56A等等。对高传导键型二极管而言,能够得到更优良的特性。这类二极管,在负荷电阻特别低的情况下,整流效率较高。
1.3 二极管的导电特性二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中,电流只能从二极管的正极流入,负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。
1、正向特性 在电子电路中,将二极管的正极接在高电位端,负极接在低电位端,二极管就会导通,这种连接方式,称为正向偏置。必须说明,当加在二极管两端的正向电压很小时,二极管仍然不能导通,流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值(这一数值称为“门槛电压”,锗管约为0.2V,硅管约为0.6V)以后,二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变(锗管约为0.3V,硅管约为0.7V),称为二极管的“正向压降”。
2、 反向特性在电子电路中,二极管的正极接在低电位端,负极接在高电位端,此时二极管中几乎没有电流流过,此时二极管处于截止状态,这种连接方式,称为反向偏置。二极管处于反向偏置时,仍然会有微弱的反向电流流过二极管,称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值,反向电流会急剧增大,二极管将失去单方向导电特性,这种状态称为二极管的击穿
2 DATA SHEET参数及基本定义解析
2.1 功率半导体二极管
2.1.1 极限参数:
1. VRRM(Peak Repetitive Reverse Voltage):指二极管所能承受的重复施加的最大峰值反向电压,该峰值电压是以脉冲的形式施加在二极管上的。
2. VRWM(Working Peak Reverse Voltage):二极管长期正常工作时,所允许的最高反向工作电压。若越过此值,PN结就有被击穿的可能,对于交流电来说,最高反向工作电压也就是二极管的最高工作电压。
3. VR(DC Blocking Voltage):指二极管所能承受的连续施加的最大峰值反向电压。
4. IF(AV)(Average Rectified Forward Current):在指定结温和散热条件下二极管长期运行时,允许流过的最大工频(50Hz或60Hz,以各厂家的规格书为准)正弦半波电流的平均值。它具有负温度系数的特性。以RHRP8120为例的电流降额曲线如Fig3所示。 Fig3 Current Derating Curve
5. IFRM (Repetitive Peak Surge Current):是指二极管所能承受的重复的峰值浪涌电流,它是以指定频率下的方波电流来定义的,一般测试条件为20KHz的50% duty的方波。如二极管RHRP8120的IFRM =16A(Square Wave ,20kHz) 。
6. Non-repetitive Peak Surge Current(IFSM):是指二极管所能承受的非重复浪涌电流,如果施加的非重复浪涌电流的次数随60Hz(或50Hz,以各厂家的规格书为准)的周期数增加时,就要进行降额使用。以二极管FR10A07为例的非重复浪涌电流曲线如Fig4所示。 Fig4 Non-repetitive Peak Surge Current Curve功率半导体DIODE属于慢速保护型器件,一般需要选取FUSE进行保护,通过 和T0=8.33ms来计算DIODE所能承受的冲击能量I2T来选取相应的FUSE。
7. PD (Maximum Power Dissipation) :是在指定结温下二极管所能承受的最大耗散功率。
8. EAVL (Avalanche Energy) :是指在指定温度下二极管能承受的雪崩击穿能量。
9. TSTG,TJ (Operating and Storage Temperature) :分别指二极管储存的温度和二极管PN结正常工作的温度。
2.1.2 电气特性参数:
1. VF:是指二极管在指定温度下,流过某一瞬态正向电流时对应的瞬时正向压降,它是温度和正向电流的函数。以RHRP8120为例对应的正向电压、正向电流曲线如Fig5所示。 Fig5 Forward Voltage VS Forward Current Curve从曲线可以看出DIODE的正向导通压降随正向电流的增大而增大,随温度的升高而降低。
2. IR:是指二极管在指定温度下,施加某一瞬时反向电压时对应的瞬时反向漏电流,它是温度和反向电压的函数。以RHRP8120为例对应的反向电压、反向电流曲线如Fig6所示。 Fig6 Reverse Voltage VS Reverse Current Curve
3. trr:是二极管在指定温度和 的条件下的反向恢复时间,它是ta和tb的总和。trr是温度和正向电流的函数。
4. ta:是二极管的电流从零到达反向电流峰值时所对应的时间。
5. tb:是以反向电流峰值 对应的时刻为起点,以沿经过 和0.25 (值得说明的是有些厂家用的是经过0.1 )的直线过零的时刻为终点对应的时间。以RHRP8120为例的trr、ta和tb对应的关系如Fig7所示。
6. QRR:二极管的反向恢复电量。从Fig7可以看出,反向恢复电量QRR就是反向恢复电流包围的面积,可用三角形的面积去近似等效,计算得到QRR=(IRMtrr)/2。
7. CJ:二极管的结电容,它是反向电压的函数
8. :指二极管的Junction到Case的热阻,单位为0C/W。
2.2 TVS二极管
2.2.1 极限参数:1. PPP(Peak Power Dissipation):指TVS管在指定结温下所能承受的最大峰值脉冲功率。在数值上,对于不同脉冲波形作用下的最大峰值脉冲功率为PPP=KIPPVC,其中K为修正因数,在不同脉冲波形下的K值如Fig11所示。显然,最大峰值脉冲功率愈大,TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP愈大;另一方面,额定峰值脉冲功率PPP确定以后,TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP随着最大箝位电压VC的降低而增加。器件规定的TVS最大允许脉冲功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外,还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。另外,这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。但是,在实际的应用中,浪涌通常是重复地出现,在这种情况下,即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多,但若重复施加,这些单个的脉冲能量积累起来,在某些情况下,也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。因此,电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件,使其在规定的间隔时间内,重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器件的脉冲能量额定值。 Fig 11 不同脉冲波形下的K值 PPP随脉冲宽度和环境温度变化的降额曲线如Fig12和Fig13所示。典型的脉冲持续时间为1ms,对应的功率即为管子的最大峰值脉冲功率。 Fig12Peak Pulse Power Derating Curve Fig13 Peak Pulse Power Derating Curve2. PD(Steady State Power Dissipation):指TVS管在指定结温下正常工作时的稳态功率。它随导线温度变化的降额曲线如Fig14所示。 Fig14 Steady State Power Derating Curve3. IFSM(Forward Surge Current):指在指定结温下TVS管能承受的最大非重复峰值正向浪涌电流,各厂家一般都是以一个正弦半波(频率为60Hz)脉冲作用在TVS上,测试得到IFSM。如果施加的非重复浪涌电流的次数随周期数变化时,就要进行降额使用。变化的曲线如Fig15所示。 Fig15 Maximum Non-repetitive Peak Forward Surge CurrentTJ(Junction Temperature):指TVS管工作的最大结温,超过这个结温TVS管的PN结将遭到破坏。TSTG(storage Temperature):指TVS管的储存温度。
2.2.2电气特性参数:
1. VRWM (Reverse Peak Working Voltage): 指TVS管最大连续工作的直流或脉冲电压。当这个反向电压加在TVS的两极间时,它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于最大反向漏电流;当TVS两端的电压继续上升,但还没有到达击穿电压VBR时,TVS管可能继续呈现高阻状态。使用时VRWM不低于被保护电路的正常工作电压。设计时可选VRWM=0.9VBR。
2. IPP (Maximum Reverse Peak Pulse Current):指TVS管允许流过的最大浪涌电流,它反映了TVS的浪涌抑止能力。一般厂家给出的浪涌电流都是以指数规律变化的。IPP随时间的变化曲线如图16所示。 Fig16 Reverse Peak Pulse Current Waveform
3. VBR (Reverse Breakdown Voltage): 在指定测试电流下TVS管发生雪崩击穿时的电压,它是TVS最小的击穿电压。在该状态发生时,TVS的阻抗将变得很小。VBR会受到结温的影响而有所变化,因此一般Datasheet中给出的都是一个电压范围。如VISHAY/1.5KE6.8A的TVS,VBRMAX=7.48V; VBRMIN=6.12V。
4. VC (Maximum Clamping Voltage): 指TVS管流过最大浪涌电流(峰值为IPP)时其端电压由VRWM 上升到一定值后保持不变的电压值。TVS管就是通过这个箝位电压来实现保护作用的,浪涌过后, IPP随时间以指数的形式衰减,当衰减到一定值后,TVS两端的电压开始下降,恢复原来状态。VC与VBR之比称为箝位因子,一般在1.2~1.4之间。5. IR (Maximum Reverse Leakage Current):指在最大反向工作电压下流过TVS管的最大漏电流。反向漏电流随最大反向击穿电压变化的特性曲线
如图17所示。 图17 反向漏电流IR VS 反向击穿电压6. IT (Test Current): 指TVS的测试电流。TVS的击穿电压VBR就是在此电流下测量得到。 7. 电容量C:电容量C是由硅片的面积和偏值电压决定,它是在特定的频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比。在零偏值的条件下,随偏值电压的升高,该电容呈现下降趋势。电容的大小将影响TVS器件的响应时间。
2.3 Zener(齐纳)稳压二极管
2.3.1 极限参数1. PD(DC Power Dissipation):是指Zener二极管工作的环境温度不大于某一指定温度时的稳态最大功耗(对于外型为DO封装的还要指定它的引线长度及铜箔面积)。若Zener二极管工作的环境温度超过指定值时,其承受的最大稳态功耗要降额。以HITACHI HZ Series 稳压管为例,PD随环境温度变化的关系曲线如Fig18所示。 Fig18 Power Dissipation VS Ambient Temperature Curve2. :是指稳压管的PN结到外界环境的热阻,单位0C/W。3. TJ(Operating Junction Temperature):是指Zener二极管PN结正常工作的最大结温。4. TSTG(Storage Temperature Range):指Zener二极管储存的环境温度。
2.3.2 电气特性参数1. Vz(Nominal Zener Voltage):在指定结温下稳压管流过指定测试电流时其两端的电压值,该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别,同一型号稳压管的稳压值也不完全一致,所以该参数一般是以一个小的电压范围给出。例如,2CW51型稳压管的Vzmin为3.0V,Vzmax则为3.6V。以HITACHI HZ Series 稳压管为例,稳定电压Vz与测试电流Iz之间的关系曲线如Fig19所示。 Fig19 Zener Current VS Zener Voltage2. IZM (Max Zener Current):指流过稳压管的最大稳压电流值,使用时不应超过,否则管子将因过热而损坏。注意:规格书中一般给出的最大稳压电流值都是经过降额设计后的值,它一般是不等同于 的值。
3. Rz (动态电阻):稳压管的动态电阻也称为交流电阻,等于稳压管两端的电压增量与流过稳压管的电流增量之比。Datasheet里给出的动态电阻是在给定的测试电流点上施加一个很小的交流扰动时测得的。该值随工作电流的不同而改变,一般是工作电流愈大,动态电阻则愈小。例如,2CW7C稳压管的工作电流为5mA时,Rz为18Ω;工作电流为10mA时,Rz为8Ω;为20mA时,Rz为2Ω;工作电流>20mA则基本维持此数值。
4. (齐纳电压温度系数):是指齐纳击穿电压随温度变化的关系。例如HITACHI HZ Series 稳压管的 与Vz的关系曲线如Fig20所示。反向工作时,一般以5~6V为分界,当额定稳压值在5~6V以下时, 为负的温度系数;当额定稳压值在5~6V以上时 为正的温度系数。在数值上 可以使用式子 来估计。单位为(%/0C)。 Fig20 Temperature Coefficient VS Zener Voltage
5. IR(反向漏电流):指稳压管在给定的测试反向电压下对应的漏电流。例如2CW58稳压管的VR=1V时,IR=0.1uA;在VR=6V时,IR=10uA。
6. VR(反向电压):指施加在稳压二极管上的反向电压值。
3 设计准则
3.1 功率半导体二极管的设计准则功率半导体二极管的设计一般考虑以下几点:
1) 考虑二极管正向平均电流的转折温度,为确保器件工作的可靠性,对二极管的电流和电压进行降额设计。一般是先估算电路中二极管的通态电流和反向电压,选取时留有1.5~2倍的裕量。
2) 正向压降应小,以减小正向导通损耗,提高效率,尤其是在大电流,低频率的工作电路中。
3) 反向恢复电流峰值要小,与之相关的反向恢复时间要小。值得注意的是反向恢复时间的选择问题:不同厂家的测试条件不同,对应同一二极管的反向恢复时间trr也不相同。比较合理的选择方法是看平均正向电流 和反向恢复电流的峰值 的比值,如图Fig7所示; ,比值越大对应的trr也越大。
4) 正向恢复电压峰值要小,尤其是在使用超快恢复管的场合。
5) 反向漏电流小,尤其是在高压高结温的场合。
6) 对功率二极管进行设计时,如果有FUSE保护时,还要考虑diode的 与FUSE的 相配合。
7) 根据要求的电流工作范围确定二极管 温度范围及其封装形式和散热方式。
8) 对功率半导体二极管进行串并联设计时,应遵守的原则如下:二极管的串联:二极管的串联应用一般用在开关管的续流二极管的场合中。串联时,需要注意静态反向截止电压和动态反向截止电压的动态分布。 图21 二极管串联的电路在静态时,由于串联各元件的截止漏电流具有不同的制造偏差,导致具有较小漏电流的元件承受了最大的电压。如果承受最大电压的二极管具有很多的裕量,则无必要在线路中采用均压电阻,只有当截止电压大于1200V的元件串联时,才有必要外加一个并联电阻。假设截止漏电流不随电压变化,同时忽略电阻的误差,则对n个具有给定截止电压Vr的二极管串联电路,我们可以得到一个简化的计算电阻公式 式中Vm是串联电路中电压的最大值, 是二极管运行在最高温度时漏电流的最大偏差。可以做一个充分安全的假设: 式中 是最高温度下的漏电流,一般厂商都会在规格书中给出。根据估计,电阻中的电流大约为二极管漏电流的6倍。经验表明:当流经电阻的电流大约为二极管漏电流的3倍时,该电阻的值已经是足够的。但即使这样,电阻中仍会出现可观的损耗。原则上动态电压的分布不同于静态电压分布。如果一个二极管pn结的载流子消失得比另一个要快,那么它也就更早地承受电压。如果忽略电容的偏差,那么n个给定电压值Vr的二极管串联时,可以采用一个简化的计算并联电容的方法。 式中 是二极管存储电量的最大偏差。可以做一个充分安全的假设: 式中 为功率半导体二极管的反向恢复电量。上式成立的条件是所有的二极管均出自于同一个制造批号。 由半导体制造商给出。除了续流二极管关断时出现的存储电量之外,在电容中存储的电量也同样需要由正在开通的开关管(如IGBT)来接替。因此,总的储存电量值可能会达到单个二极管的存储电量的两倍。一般来说,二极管的串联电路并不多见,在高截止的二极管能被采用时,一般不用串联方案。唯一例外的是,当应用电路要求很短的开关时间和很低的存储电量时,这两点正是低耐压二极管所具备的,可以采用低耐压二极管串联使用。当然通态损耗也会跟着增大,使用时应当权衡考虑。二极管的并联:二极管并联时要求通态电压的偏差应尽可能的小。一个判断二极管是否适合并联的重要参数是其通态电压对温度的依赖性。具有负温度系数的二极管:如果通态电压随温度的增加而下降,那么二极管就具有负的温度系数。由于二极管总是存在一定的制造偏差,所以在二极管并联时,一个较大的负温度系数则有可能产生温升失衡危险。即温升较高的管子将流过更多的电流,从而产生更高的温升,如此形成正反馈最终导致一个管子承受更大的电流,另一个管子承受很小的电流。因此在实际应用中一般不推荐具有负温度系数的二极管并联使用。如果在应用中不得不采用二极管并联使用时,要考虑并联二极管的热耦合现象。即并联的二极管通过基片或通过并联在一块散热片上进行热耦合。一般对于较弱的负温度系数来说,这类热耦合足以避免具有最低通态电压的二极管走向温升失衡。但对于负温度系数值较大(>2mV/K)的二极管来说,还应降额使用。具有正温度系数的二极管:如果通态电压随温度的增加而增加,那么二极管就具有正的温度系数。在典型的并联应用中这是一个优点,因为较热的二极管将承受较低的电流,从而导致系统的稳定。 图22 不同类型二极管的通态压降对温度的依赖性左:全电流范围内负温度系数 右:额定电流以上为正温度系数,额定电流以下为负温度系数
3.2 TVS的设计准则TVS的具体选用按以下原则:
1). 确定被保护电路的最大直流或连续工作电压,电路的额定标准电压和最大可承受电压。
2). TVS的额定反向关断电压VRWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VRWM太低,器件可能进入雪崩状态或反向漏电流太大影响电路的正常工作。TVS设计中串行连接可进行分压,并行连接可进行分电流,但考虑到TVS的离散性,要尽量减少串并联的数目。
3). 使用中TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10%左右,以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压,使TVS漏电流影响电路正常工作;也避免因环境温度变化导致TVS管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。
4). TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
5). 在规定的脉冲连续时间内,TVS的最大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
6). TVS稳态工作时的功率应小于规格书中给定的稳态功率PD。
7). 对于数据接口电路的保护,还必须选取具有合适电容C的TVS器件。
8). 温度考虑:瞬态电压抑制器可以在-55℃~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作,由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从+25℃到+175℃,大约线性下降50%;击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此,必须查阅有关产品资料,考虑温度变化对其特性的影响。
9). 根据用途选用TVS的极性及封装结构。TVS器件按极性可以分为单极性和双极性两种,直流电路选单极性TVS,交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。
TVS管在使用中应注意的事项:
1). 对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值),而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测,事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。
2). 对小电流负载的保护,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
3). 对重复出现的瞬变电压的抑制,尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。
4). 降额使用。作为半导体器件的TVS管,要注意环境温度升高时的降额使用问题。 特别要注意TVS管的引线长短,以及它与被保护线路的相对距离。 当没有合适电压的TVS管供采用时,允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。
5). TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素,在这种情况下,一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接,由于快恢复二极管有较小的结电容,因而二者串联的等效电容也较小,可满足高频使用的要求。
3.3 Zener二极管的设计准则Zener二极管的设计原则如下:
1). 稳压管可进行串联使用,但不得并联使用(对数个稳压管并联时,当所加的电压超过齐纳电压时,哪怕各管子间有微小的差异,也将会引起电流大大失去平衡,电流将集中到个别管子上)。
2). 在电路的连接中,应使稳压管工作在其反向击穿状态,即工作在稳压区。
3). 设计时要充分考虑到功耗的温度转折点,对功耗和电流进行降额设计(一般规格书中提供的最大稳压电流,都是降额后的值;如果规格书中没有提供该电流值,则可以先用公式 计算出一个最大电流值,再进行降额取值)。降额取值的标准可参考军标要求如下:一级标准:电流、功率降额等级为0.50;二级标准:电流、功率降额等级为0.65;三级标准:电流、功率降额等级为0.80;验证:以FAIRCHILD 1N957B稳压管为例, , , ;则 ,降额标准取为二级标准,有 ,基本与给定值吻合。
4). 为了保证Zener的稳压效果,流过其的电流值还必须大于一个最小值Izmin(当电流小于该值时也并不是不能稳压,只是稳压的效果比较差)。由此可求得限制Zener二极管电流得串联电阻值R的大小。串联电阻的范围应满足: 其中U为加在R上的电压, 可由上面的方法估计得到; 可取规格书中对应最大阻抗值的测试电流值,一般取1mA左右。
4 损耗组成及计算方法
4.1 功率半导体二极管损耗计算二极管的损耗包括正向导通损耗、反向恢复损耗和断态损耗。如图23为二极管关断过程的曲线。
1. 正向导通损耗:二极管的正向导通损耗可由下式求出: 式中 ――二极管正向导通压降; ――二极管的正向导通电流; ――二极管工作的占空比2. 反向恢复损耗肖特级二极管的反向时间很短,反向损耗可以忽略不计。正向电流流过二极管时导致P区积累了大量的电子,N区积累了大量的空穴。当二极管承受反压时,并不会立即关断,相反地这些电荷的存在会在反方向上产生一个大的电流,该电流迅速地降到零,电流变化的过程如下图所示。反向恢复电流峰值 和反向恢复电荷 的大小依赖于正向导通电流 和电流下降的变化率 。反向恢复电流的存在导致了二极管内的关断损耗。在 时间内二极管的正向压降很小,这部分的损耗可以忽略不计;在 时间内损耗可以使用下式进行估计。 式中 为二极管的反向恢复峰值电流; 是从二极管的反向电流峰值时刻起到达经过反向电流峰值和0.25倍的反向电流峰值的直线过零的时刻结束时所对应的时间; 为二极管的工作频率。 可以理解为反向恢复电流在一个开关周期内的平均值。 图23二极管的关断过程一些厂家的规格书中直接就提供了 或 随 和 的变化的曲线,使用时可以直接查找符合使用条件的 或 。如上图所示,用三角形的面积近似等效反向恢复电流包围的面积,可得到 和 之间的关系如下式所示。 而大多数厂家提供的都是在一定温度和电流变化率 条件下, 、 、 随正向导通电流 变化的曲线。由上图可以看出,在固定的 条件下,反向恢复电流经过 的时间到达反向恢复电流的峰值,由此可以计算出反向恢复电流峰值 。 式中 是二极管的电流从零到达反向电流峰值时所对应的时间。
3. 二极管的断态损耗:一般来说,二极管的截止损耗在总功耗中所占的比例很小,可以忽略不计。唯一例外的是肖特基二极管,它的热态截止电流较高。断态损耗可以由最高结温下的漏电流和反向电压计算得到。 式中 ――二极管的漏电流; ――二极管的反向电压; ――二极管的导通占空比。总的最大功率损耗为 损耗计算的应用实例及 、 、 的转换关系可以参考下面的文档。 对于TVS和ZENER二极管,属于小功率器件,功率误差较小,实际应用时参照规格书的损耗值进行损耗估算。
5 设计模板
5.1 功率半导体设计模板以3C3-30K PFC电路的续流diode为例。
设计需求:;反向电压600V;开关频率20KHz。按规范进行设计:需选择的平均电流为: ;需选择的最高反向电压为: ;二极管的正向压降:尽量小,减小正向导通损耗;二极管的反向恢复时间:尽量短,减小反向恢复损耗; 根据上述的条件,选二极管型号:RHRP75120。实际选用器件验证:所选二极管的最高反向电压为1200V,满足需求;所选二极管在 时的电流范围为(63~75)A,可以满足需求,因此要求保证二极管的CASE温度设计在小于750C内;电流随温度的变化曲线如下图所示 二极管的反向漏电流在1200V,最大CASE温度下的漏电流为600uA,断态损耗最大为0.72W, 可以忽略不计。 反向漏电流随反向电压和温度的变化曲线如下图所示: 分析的结果填入下表可得:项 目 参数内容需求分解 重复峰值反向电压VRRM 600V正向平均电流IF(AV) 正向压降VF 正向压降尽量小,减少正向导通损耗小反向恢复时间trr 反向恢复时间尽量小,减小反向恢复损耗应用环境 应用线路架构图: PFC主电路,(简图略)规范选择原则 重复峰值反向电压VRRM 1200V正向平均电流IF(AV) 62.35A正向压降VF 正向压降尽量小反向恢复时间trr 反向恢复时间尽量小反向漏电流 反向漏电流尽量小实际选用器件 二极管型号 RURG75120正向平均电流IF(AV) 转折点的温度:42 在电流工作范围内要求CASE温度范围: 温度变化曲线(附图): 重复峰值反向电压VRRM 二极管的重复峰值反向电压:1200V反向漏电流IR 漏电流IR与反向电压和温度的变化曲线 计算损耗 验证损耗及器件温升,参考温升设计结论 验证选型是否符合设计要求5.2 TVS设计模板项 目 参数内容需求分解 最大峰值工作电压 电路出现的最大峰值工作电压最大吸收浪涌电流 电路出现的最大浪涌电流应用环境 TVS应用环境温度:应用线路架构图:(附简图)规范选择原则 最大峰值工作电压VRWM 计算保留一定裕量后的最大峰值电压最大浪涌电流IPP 计算保留一定的裕量的浪涌电流最大峰值脉冲功率PPP 计算留有一定裕量的峰值脉冲功率串并联设计 确定串联的数目最大峰值浪涌电流IFSM 计算确定电路可能出现的最大浪涌电流值实际选用器件 TVS型号 选型最大峰值工作电压VRWM 验证峰值工作电压最大浪涌电流IPP 验证浪涌电流最大漏电流IR 漏电流验证最大峰值脉冲功率PPP 验证峰值脉冲功率最大峰值浪涌电流IFSM 验证最大峰值浪涌电流稳态功率PD 验证稳态工作时功率小于规格书中的稳态功率PD结论5.3 Zener设计模板项 目 参数内容需求分解 要求的额定电压Vz最大稳压电流稳态时的最大功耗规范选择原则 额定稳压电压Vz最大稳压电流IZM稳态最大功耗PD反向漏电流IR稳定电压温度系数 实际选用器件 稳压管型号额定稳压电压Vz稳态最大功耗PD最大稳压电流IZM反向漏电流IR稳定电压温度系数 结论