快恢復(fù)二極管介紹

主要講快恢復(fù)二極管電路圖的一些應(yīng)用電路。快恢復(fù)二極管（簡(jiǎn)稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。

快恢復(fù)二極管在制造工藝上采用摻金，單純的擴(kuò)散等工藝，可獲得較高的開關(guān)速度，同時(shí)也能得到較高的耐壓。目前快恢復(fù)二極管主要應(yīng)用在逆變電源中做整流元件。

快恢復(fù)二極管的作用是什么?

答 1:

一般地說(shuō)用于較高頻率的整流和續(xù)流。

至于電源模塊的輸入部份，好像頻率不高，不必用快恢復(fù)二極管，用普通二極管即可。

答 2:

對(duì)于二極管來(lái)說(shuō)，加在其兩端的電壓由正向變到反向時(shí)，響應(yīng)時(shí)間一般很短，而相反的由反向變正向時(shí)其時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，此即為反向恢復(fù)時(shí)間，當(dāng)二極管用做高頻整流等時(shí)，要求反向恢復(fù)時(shí)間很短，此時(shí)就需要快恢復(fù)二極管（FRD），更高的超快恢復(fù)二極管（SRD），開關(guān)二極管，最快的是肖特基管（其原理不同于以上幾個(gè)二極管）

快恢復(fù)二極管（簡(jiǎn)稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。

快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。

通常，5~20A的快恢復(fù)二極管管采用TO–220FP塑料封裝，20A以上的大功率快恢復(fù)二極管采用頂部帶金屬散熱片的TO–3P塑料封裝，5A以下的快恢復(fù)二極管則采用DO–41、DO–15或DO–27等規(guī)格塑料封裝。

快恢復(fù)二極管工作原理

快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，不僅大大減小了TRR值，還降低了瞬態(tài)正向壓降，使管子能承受很高的反向工作電壓。

快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間一般為幾百納秒，正向壓降約為0.6V，正向電流是幾安培至幾千安培，反向峰值電壓可達(dá)幾百到幾千伏。超快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)電荷進(jìn)一步減小，使其trr可低至幾十納秒。20A以下的快恢復(fù)及超快恢復(fù)二極管大多采用TO-220封裝形式。

加負(fù)電壓（或零偏壓）時(shí)，快恢復(fù)二極管等效為電容+電阻；加正電壓時(shí)，快恢復(fù)二極管等效為小電阻。用改變結(jié)構(gòu)尺寸及選擇快恢復(fù)二極管參數(shù)的方法，使短路的階梯脊波導(dǎo)的反射相位（基準(zhǔn)相位）與加正電壓的PIN管控制的短路波導(dǎo)的反射相位相同。還要求加負(fù)電壓（或0偏置）的快恢復(fù)二極管控制的短路波導(dǎo)的反射相位與標(biāo)準(zhǔn)相位相反（-164°～+164°之間即可）。

快恢復(fù)二極管電路圖的工作過(guò)程及失效分析

1、開封解析

二極管失效經(jīng)過(guò)分析一直是機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致失效，生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題，后采取大比例對(duì)異常批次二極管進(jìn)行全檢，來(lái)料全險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)多單二極管反向漏電流嚴(yán)重超標(biāo)，實(shí)測(cè)值在1000MA以上，二極管全檢異常品未進(jìn)行強(qiáng)電測(cè)試，對(duì)全檢漏電流超標(biāo)二極管進(jìn)行開封解析同樣存在晶元裂紋，將二極管寄給安森美分析確認(rèn)晶圓同樣有裂紋、開封解析及電鏡掃描圖如圖1所示。

圖1 失效品開封解析與電鏡掃描圖片

2、二極管晶圓裂紋產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力影響分析

排查二極管自插環(huán)節(jié)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，二極管插裝后引腳存在嚴(yán)重的應(yīng)力，兩邊引腳嚴(yán)重變形。有內(nèi)應(yīng)力損傷問(wèn)題，一般設(shè)計(jì)要求建議打點(diǎn)位置中心點(diǎn)到元件本體側(cè)面的距離在1.5～2倍的D(本體直徑)，實(shí)際主板引腳跨距是1:1的尺寸。一般二極管引線跨距設(shè)計(jì)要求，引線直徑在0.7-0.8，彎腳點(diǎn)離本體距離最小要在3.5左右，下線機(jī)型集中在使用了PCB 37002488的機(jī)型上面，失效位置集中在IPM(D18-D20)當(dāng)中，而在開關(guān)電源電路D701當(dāng)中該二極管失效較少；根據(jù)對(duì)PCB板圖紙的排查，同一款PCB：IPM(D18-D20)間距為10.16mm，向電源電路D701卻為13.6mm。

按照IPM(D18-D20)間距為10.16mm，達(dá)不到此要求，若是彎角時(shí)輕微受力再經(jīng)過(guò)波峰焊的作用更容易出問(wèn)題了；分析判定、部分PCB 35030124二極管插裝間距設(shè)計(jì)不符合廠家推薦的插裝間距要求，也不符合我司標(biāo)準(zhǔn)封裝庫(kù)35030124 13.5mm要求。

二極管插裝前剪腳沒(méi)有固定引腳進(jìn)行成型，導(dǎo)致二極管插裝后左右引腳成型不良，實(shí)際設(shè)備無(wú)法保證，存在應(yīng)力隱患。

二極管應(yīng)用PCB板設(shè)計(jì)引腳之間插裝跨距設(shè)計(jì)不合格要求，跨距偏小，導(dǎo)致自插受力隱患大。

3、二極管X光透射、電鏡掃描分析

經(jīng)過(guò)對(duì)失效二極管進(jìn)行X光透射分沂，二極管晶元與杜美絲之間焊接部分有焊料融化外延跡象，先燒裂后破損。是融化硅向外延升。使用電鏡掃描可以看到有釬料融化跡象，二極管X光透射與電鏡掃描分析圖片如圖2所示。

圖2 二極管X光透射與電鏡掃描分析圖

4、快恢復(fù)二極管應(yīng)用電路工作過(guò)程

系統(tǒng)初始在上電瞬間自舉電容兩端電壓為零，如果IPM需要正常啟動(dòng)工作，驅(qū)動(dòng)電路VCC就需要正常供電，初始化時(shí)沒(méi)有電壓，在IPM工作前，需要對(duì)自舉電容進(jìn)行充電，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)足夠脈沖數(shù)量，精確控制IGBT開通，將電容兩端電壓抬升至目標(biāo)電壓，具體工作過(guò)程為：在上電瞬間需要對(duì)自舉電容進(jìn)行充電，下橋臂的IGBT開通將對(duì)應(yīng)相輸出電壓拉低到地，電源通過(guò)自舉電阻、自舉二極管對(duì)電容進(jìn)行充電。

當(dāng)上橋IGBT開通時(shí)，輸出電壓再次升至母線電壓水下。電容兩端電壓因不能突變，兩端電壓仍保持在供電電壓水平，同時(shí)給IGBT驅(qū)動(dòng)提供電壓。自舉二極管反向截止，將弱電電源部分與母線電壓有效隔離，避免強(qiáng)電導(dǎo)入弱電擊穿電路器件，以上是半個(gè)循環(huán)，后續(xù)周而復(fù)始進(jìn)行。

電路分沂結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)IPM自舉電路初始上電工作瞬間工作原理及工乍過(guò)程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在電路開始工作之前系統(tǒng)初始化階段，下橋IGBT開啟自舉電容充電過(guò)程二吸管承受電壓最小，二極管不會(huì)存在過(guò)壓失效可能，上橋IGBT開啟過(guò)程二極管此時(shí)起到強(qiáng)弱電的有效隔離，兩端承受電壓最大，除IP同外為此電路承受電壓沖擊頻率最大器件，如果器件因各種因素導(dǎo)致反向耐壓偏低極易出現(xiàn)器件反向耐壓不足擊穿失效。導(dǎo)致內(nèi)部IGBT開通異常急劇發(fā)熱炸裂，所以經(jīng)過(guò)對(duì)失效主板分析及器件應(yīng)用電路分析判斷，二極管異常導(dǎo)致炸板，經(jīng)過(guò)實(shí)際模擬驗(yàn)證二極管耐壓偏低確實(shí)可以導(dǎo)致模塊炸失效，與下線故障現(xiàn)象一致。

主版失效表現(xiàn)為IPM炸裂失效、經(jīng)過(guò)對(duì)失效主板進(jìn)行檢測(cè)分析及大量信息收集，確定二極管、IPM等失效集中在DCT測(cè)試工序上電瞬間，壓縮機(jī)未啟動(dòng)即出現(xiàn)失效，接下來(lái)簡(jiǎn)單分析逆變電路上電腦同工作過(guò)程。電路工作簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 二極管應(yīng)用電路

二極管失效集中IPM自學(xué)電路，對(duì)IPM自舉電路工作原理及過(guò)程進(jìn)行分析，電壓自舉抬升就是利用電路自身產(chǎn)生比輸入電壓更高的電壓，實(shí)質(zhì)是利用電容兩端電壓不能瞬間突變通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)控制來(lái)改變電路某點(diǎn)的瞬時(shí)電位，自舉電路一般由四部分組成，即電源供電部分、自舉電阻、自舉二極管和自舉電容。

快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)

快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。

因?yàn)镻D的主要有源區(qū)是勢(shì)壘區(qū)，所以展寬勢(shì)壘區(qū)即可提高靈敏度。p-i-n結(jié)快恢復(fù)二極管實(shí)際上也就是人為地把p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)寬度加以擴(kuò)展，即采用較寬的本征半導(dǎo)體（i）層來(lái)取代勢(shì)壘區(qū)，而成為了p-i-n結(jié)。

p-i-n結(jié)快恢復(fù)二極管的有效作用區(qū)主要就是存在有電場(chǎng)的i型層（勢(shì)壘區(qū)），則產(chǎn)生光生載流子的有效區(qū)域增大了，擴(kuò)散的影響減弱了，并且結(jié)電容也大大減小了，所以其光檢測(cè)的靈敏度和響應(yīng)速度都得到了很大的提高。

快恢復(fù)二極管特點(diǎn)

快恢復(fù)二極管的最主要特點(diǎn)是它的反向恢復(fù)時(shí)間（trr）在幾百納秒（ns）以下，超快恢復(fù)二極管甚至能達(dá)到幾十納秒。

圖是反向恢復(fù)電流的波形圖。圖中IF為正向電流，IRM為最大反向恢復(fù)電流，Irr為反向恢復(fù)電流，通常規(guī)定Irr=0.1IRM。當(dāng)t≤t0時(shí)，正向電流I=IF。當(dāng)t＞t0時(shí)，由于整流管上的正向電壓突然變成反向電壓，因此，正向電流迅速減小，在t=t1時(shí)刻，I=0。然后整流管上的反向電流IR逐漸增大；在t=t2時(shí)刻達(dá)到最大反向恢復(fù)電流IRM值。此后受正向電壓的作用，反向電流逐漸減小，并且在t=t3時(shí)刻達(dá)到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反向恢復(fù)過(guò)程與電容器放電過(guò)程有相似之處。由t1到t3的時(shí)間間隔即為反向恢復(fù)時(shí)間trr。
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