快恢复二极管在高频电路中的选型应用

潘永涛

（常州银河世纪微电子股份有限公司，江苏常州，213000)

0 引言

随着电子设备中的开关电源越来越向小型化、高频化发展，在电路中起到整流、逆变、变频、续流等作用的快恢复二极管（开关管）应用也越来越广泛。在各种电源线路中，对于快恢复二极管的选择要求越来越细分。选型不当会产生EMC（电磁兼容）问题，特别是反向恢复时间（TRR，也称作开关时间）选择不当，会使二极管的开关功耗过大，造成元器件过热烧损，同时降低二极管的开关损耗往往能显著提高电源效率，开关电源等功率变换电路的性能指标也常常与所用的快恢复二极管十分有关，参数不合适的快恢复二极管不仅会降低电源指标，有时还会严重影响电源可靠性。在具体应用中需要综合考虑二极管在电路各个位置的作用、工作状态、电压、电流、频率、结电容等的应用情况。

1 快恢复二极管的概念与静态特征

1.1 基本概念

二极管的PN结（由掺杂半导体形成）是将一种本征半导体两边不同掺杂，使一边变成P型半导体，另一边形成N型半导体。在两者的交界处，便形成一层很薄的特殊导电层。这个特殊导电层称为PN结， PN结的主要特性是单向导电性[1]。

将PN结芯片用塑封料、玻璃、金属等外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A），由N区引出的电极为阴极（K）。二极管加正向电压时，PN结变窄， 正向电流大，正向电阻较小，处于导通状态；二极管加反向电压时，PN结变宽，反向电流小，反向电阻大，处于截止状态[1]。结构如图1所示。

图1 二极管结构

1.2 静态特性

二极管的静态伏安特性曲线如图2所示。

图2 二极管伏安特性曲线

图中UON为开启电压，即二极管开始导通的临界电压（与半导体材料费米能级有关），UBR为击穿电压，IS为反向饱和电流。

1.2.1 正向特性

额定正向平均电流（IF(AV)）：在规定的管壳温度和散热条件下允许通过的最大工频半波电流的平均值，元件标称的额定电流就是这个电流。电流的大小由芯片大小、封装结构、散热条件决定，使用时必须按照生产厂家提供的温度曲线降额使用[2]。

正向压降（VF）：在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。正向压降随通过的电流降低而降低，也随温度升高而降低。测试时必须注意测试导线带来的压降误差，可用四端法测试，消除线压降的误差。

正向浪涌电流（IFSM）：二极管承受电路中过流脉冲电流的能力[3]。在60H（Z8.3ms)单相正弦半波，附加额定负载（或在工作结温）时二极管所能承受最大的浪涌电流。浪涌电流大小与二极管芯片大小、正向压降有关。

1.2.2 反向特性

反向重复峰值电压（VRRM）：二极管能重复施加的反向最高电压[4,5]。VRRM一般取二极管的转折电压（VB）的90%。

反向漏电流（IR）：室温下施加规定的反向电压时测得的漏电流[5]。它对温度较敏感，测试时漏电流随着温度上升而增大，多次测试正反向参数时，芯片发热，漏电会增加。理想状态下二极管的漏电流就是反向饱和电流IS，只和芯片材料、芯片大小有关。但在二极管芯片制造、封装过程或多或少会带入杂质造成漏电流增加，影响产品的性能与寿命。漏电流的大小特别是高温漏电流的稳定性是衡量二极管可靠性的重要参数。

2 快恢复二极管的开关特性

由于二极管在电路电压正反向切换时，PN结的电场电荷的注入与抽取需要一定的时间，这就决定了二极管不会是瞬时开通与关断，呈现出类似电容的充放电状态，会有一个影响开关时间也即正反向恢复时间的势垒电容。在高频率电路中，二极管的势垒电容具有极低的阻抗，如果这个势垒电容自身的容值达到一定程度，会严重影响二极管的开关性能，在极端情况下会使二极管发生短路，高频电流不再穿过二极管，而直接绕过势垒电容，从而导致二极管失效[6]。

2.1 开通特性

二极管开通时间特性如图3（a）所示。开通初期出现较大的正向峰值电压UFP，随后电压下降，电压达到稳态正向压降的1.1倍的时间称为二极管正向开通时间TFR。选用工作在开关状态的二极管时，必须注意UFP和TFR这二个参数，它们决定二极管开通损耗的大小，对二极管工作时的温升影响很大。在某些电路中，如果二极管UFP太大，电路甚至不能正常工作。

2.2 关断特性

二极管正在通过大的正向电流而突加反向电压时，反向阻断能力的恢复过程如图3(b)所示。

图3 二极管开关过程中电压电流波形

在T0瞬时，正向通电状态的二极管施加反向电压，正向电流IF以dif/dt速率减小, dif/dt的大小由反向电压UR和分布电感所决定。在T1瞬时，二极管电流过零，由于PN结的电荷存储效应，存储电荷消失前，二极管未恢复阻断能力，电流继续以相同速率反向增大，此时，正向压降稍有下降。在T2时刻，电流达最大反向电流IRM，二极管开始恢复阻断能力，承受反向电压。T2以后，二极管承受反向电压的能力迅速提高，反向电流迅速下降，下降速率为dir/dt，它通过线路电感会感生较高电压，再加上反向电压UR后形成最大反向电压URM。在T3时刻，反向电流减小到0.1IRM。T1到T3的时间TRR被称为二极管反向恢复时间，也称作“开关时间”

在高频电路中，工作在开关状态的二极管，它的反向恢复特性对电路性能的影响非常大。首先，在频率较高的电路中，二极管的TRR必需足够小，否则二极管无法关断，即使电路能工作，二极管的损耗也将很大，电路效率会降低。其次，如果仅追求TRR小，忽视二极管反向恢复过程中的电流过冲IRM和速率dir/dt，可能会出现严重的电磁震荡。

由图3（b）可知,TRR是由T1-T2和T2-T3 两部分组成，在T1-T2期间，承受反向电压的二极管，电流由零反向增大到IRM，IRM的大小主要由存储电荷数量和正向电流的下降速度即dif/dt决定，在一定的dif/dt下，IRM越大，T1-T2的时间就会越长，也就是TRR会增大。而且，IRM大也会使二极管高频工作电路中的电流波型上迭加的尖峰增大。

在T2-T3期间，IRM在反向电压作用下，以dir/dt速率迅速减小。虽然从工作频率和损耗的角度要求，TRR越小越好。而作为TRR组成部分的T2-T3的时间，反而希望它能长些，即dir/dt要小，也就是说反向恢复特性要“软”。若dir/dt过大，反向特性太“硬”，由于电路中存在的分布电感、电容的影响，会出现强烈振荡，产生噪声和严重的寄生干扰，使电路不能稳定工作，且dir/dt过大，还会使dir/dt与UR迭加形成的URM过高，在电路中产生电压尖峰，严重时甚至会使二极管损坏。

衡量反向恢复特性的硬软，用称为“软度系数”的参数来表示二极管反向恢复特性的软硬程度，如下公式（2），S 为软度系数，它定义为:

由上式可知，S实际上是二极管反向恢复过程中，两个时间段的反向电流IR从零到IRM的时间和从IRM到0.1 IRM的时间之比。S值大，则认为恢复特性较软，S值小，则认为恢复特性较硬。

根据式（2），加大（T3-T2）或减小（T2-T1），都能增大S。测试二极管反向恢复特性时，通常以一固定的dif/dt(正向电流衰减速率)作为测试条件，因此，S 值就由dir/dt决定，它反映出了恢复特性的硬软。

在高频电路中工作的二极管，要求它的反向恢复时间TRR要越小越好，这是有前提的，就是它的恢复特性要有一定的软度。因此，TRR小的二极管，它的IRM一定要小。如果TRR小了，而IRM没小，恢复特性就变硬，这将会对电路产生不良影响。也可以简单地用UR/URM来表示恢复特性的硬软，UR为二极管上所加的反向电压，URM是反向恢复过程中的最大反向电压，大小由dir/dt和分布电感决定。UR/URM小，恢复特性较硬，显然对电路将产生较大的不良影响。UR/URM大，恢复特性软，二极管的开关过程对工作电路的不良影响将会减小。

实例：如下图，反向恢复时间相同的快恢复二极管，图4（a）二极管在线路中会产生较大的震荡与噪声，造成EMC测试失效，更换图4（b）反向过冲电流较小的“软”恢复特性二极管，EMC测试合格。

图4 不同“软”度的反向恢复曲线

2.3 通电过程中的功耗

快恢复二极管在电路中的损耗P如式（3）所示，由四部分组成。

式中，Pfr是二极管正向开通过程中的损耗，Pf是二极管导通时的损耗，Prr是二极管反向恢复过程中的损耗，Pr是二极管关断承受反向电压时的损耗。Pf和Pr为静态损耗，工作电流确定后，Pf由正向压降VF决定。反向电压确定后，Pr由反向漏电流IR决定，与电路的工作方式关系不大，且很容易估算。Pfr和Prr为开关损耗，在一定的工作频率下，Pfr由施加的正向电压UF和TF（R正向恢复时间，与反向恢复时间TRR正相关）决定，Prr由IRM和TRR决定。由于是开关损耗，它们与电路的工作频率有直接关系，在高频电路中，二极管的开关损耗会远大于静态损耗。

图5是快恢复二极管在一个波形周期内的功耗曲线，由四部分组成。其中Pr由于反向漏电流是微安级，在总功耗中可以忽略不计。因此二极管功耗取决于导通功耗Pf、开关功耗Pfr和Prr，实际上在通电电流确定的电路中，取决于正向压降VF和开关时间TRR。

图5 二极管通电过程中的功耗损耗

3 快回复二极管在线路中的选型

目前市场上常规的快恢复二极管有三个系列：快恢复二极管（FR系列，fast recovery rectifier）、高效率二极管（HER系列，high efficiency rectifier）、超快二极管（SF系列，super fast rectifier），详细参数见表1。

表1 快恢复二极管分类

快回复二极管在线路中的选型，主要考虑降低二极管在线路中的功耗、防止输出效率下降以及减少电磁震荡。需要从反向恢复时间、正向压降和反向耐压等方面选择适合的快恢复二极管。

3.1 反向恢复时间TRR的选择

根据二极管在线路中的频率，选择TRR尽量小的二极管，一般的经验是：频率的倒数/100（ns）。例如在100K HZ电路中，宜选择100ns以下的快恢复二极管。同时尽量选择“软”恢复特性的二极管。生产厂家的规格书中一般不会标注“软度系数”，如果应用电路对EMC及频率噪声有要求，可以通过测试反向恢复曲线来选择较“软”恢复的二极管。

3.2 正向压降VF的选择

尽量选择VF小的二极管，以降低正向开通功耗。在开关频率较小的电路中这是最主要的发热及功耗因素。但是VF与TRR有反比的关系，因此，在频率较小的电路中，如果普通的快恢复二极管的TRR能满足线路要求，不必选择超快二极管，以免增加正向功耗。

3.3 选择适当的反向电压

在快恢复二极管的选用中，线路设计人员一般会选择TRR小（开关功耗小），VF小（正向功耗小），VRRM大（反向电压大）的二极管。由于快恢复二极管的反向耐压VRRM越大，VF也会增大。一般选择反向电压有50%以上的余量即可。如果二极管在线路中工作电流较小，正向功耗不大，为了增加抗浪涌电压的能力，可以不考虑正向压降VF，选择较高耐压的二极管。

4 结论

快恢复二极管在电路中的选用，需要兼顾降低发热功耗和防止线路震荡。一是根据线路频率选择适当的TRR，同时要求恢复曲线越“软”越好；二是选择VF较小的二极管，同时兼顾反向耐压VRRM越大越好。需要注意的是TRR随温度升高而变大，因此还需要考虑通电过程中高温下TRR的变化率。