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Si功率元器件

Si 二极管

所谓二极管-快速恢复二极管的特征

最后一篇谈及Si二极管。本篇将说明快速恢复二极管(以下简称为FRD)的特征、改善特性及其相关应用。

Si-FRD的特征

Si-FRD是PN结二极管,具有高速性特征,Trr极快。与此相反,就一般特征而言是VF高。例如,在示意图中,通用10A级别的VF不到2V。这是因为Trr的高速性与VF之间有需要权衡的关系。然而,开发出VF值大幅度降低的型号,实际时可根据应用来选择最适合的Si-FRD。

下表总结了Si-FRD的特征及其适合的应用。表中凡标有“×”的项目,请理解为:其与其他项目相比,特性较差、不适合。

Si-FRD的种类和特征

超高速型的VF较高,IR却较低,所以,最适用于连续模式的PFC(改善功率因数),损耗较少。

高速与低VF的平衡型有非常高的通用性,利用FRD的高速性适用于各种应用。

超低VF型的虽然IR特性较为逊色,但其低VF能降低导通损耗,适用于峰值电流大的临界模式PFC。

此时,下面图表显示VF和Trr之间的权衡关系。橙色线表示VF较低,Trr稍长,但VF与Trr之间的IR也较大,是该FRD的特性。红色线的特性与其相反。可见存在一种关系,如果是高速型,那么VF就高,如果是低VF型,那么Trr/IR就大。

FRD的Trr反向恢复时间与VF的高低之间的权衡

Si-FRD的噪声

从EMC的角度来看,以开关电源为主的开关所引发的噪声是重要的研讨事项。Si-FRD的Trr较为高速,故而在反向恢复时,Trr时间内会产生噪声。下图是反向恢复时的噪声以及改善后的示意图。IRp表示FRD关断时的反向电流峰值。并用dir/dt表示恢复的倾斜度/急峻度。如能降低Irp,并使dir/dt平稳,就能使反向恢复时的噪声变小。

Si-FRD反向恢复时的噪声

实际上,已成功开发出称之为“软恢复”型的低噪声Si-FRD。在这里,就该项研究稍稍加以说明。

为了降低Irp,并使恢复时的倾斜度dir/dt趋缓,必须分别采取改善对策。最初,为了降低IRp,降低了P型硅(阳极)的杂质浓度。仍然存在问题,虽然漏电流减少,降低了IRp,但是,dir/dt依然急峻,仍然残存噪声,还有VF上升的新课题要权衡处理。

Si-FRD反向恢复时的噪声:改善IRp

其次,为了缓和倾斜度,采用了称之为寿命杀手的铂(Pt)扩散,缩短了寿命,成功地实现dir/dt软恢复。这里的“寿命”是指,在PN结关断/反向偏置时的少数载流子再结合,在恢复的时间内,如果时间长,残留的载流子会导致电流流经的现象。寿命杀手会加速再结合,从而缩短寿命。一般而言,寿命杀手会扩散杂质。这种时就采用Pt(铂)。

这就涉及到制造工艺了,若非熟悉领域很难全面展开,但是,以这两个方法为基础,最终实现了Trr和VF的特性基本保持不变,却能大幅度抑制反向恢复噪声的Si-FRD。下图所示为软恢复型(红色)与标准型(蓝色)的实际波形比较示意图。明显可见,软恢复型的噪声非常低。

Si-FRD反向恢复时的噪声:改善倾斜度(dir/dt)

根据Si-FRD的Trr和VF的应用示意图

最后表示依据Si-FRD的特性及其适合应用的示意图,设计时仅供参考。如上所述,Trr高速型的VF值较高,而VF值低的Trr较慢,应基于这一基本倾向,选择最佳的应用特性。

再提一下PFC的话题,BCM(临界模式)的VF值越低越好,CCM(连续模式)的Trr值越快越好,这有助于降低各自的损耗。

此时,不仅降低噪声,而且VF与Trr的权衡达到最优化的类型,其可制成的应用非常广泛。

FBD的特性及其应用示意图

关键要点:

・Si-FRD的特性因硅拡散的杂质而异。

・Si-FRD的VF和Trr之间的权衡关系。

・反向恢复时的噪声导致开关电源应用方面受到严重影响,所以开发了改良型。