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二极管运用全面解析,看这篇就够了!

发布时间: 2022/10/9 16:46:08 | 194 次阅读

在开关电源常用拓扑中,除了功率MOS器件,还有不可或缺的二极管器件,但是不一样的电路拓扑中,二极管的选择需要承担不一样的作用,对二极管的性能就有一定的要求,所以本文就列举目前常用拓扑结构中二极管的选型指南。
常用拓扑:

离线非隔离电路(Buck/Buck-boost)---续流二极管

离线隔离电路(反激式)--- 二次侧整流二极管&用于缓冲器的辅助开关二极管

电流谐振电路---自举二极管&二次侧整流二极管

PFC 电路--- 旁路二极管&升压二极管

静态特性:

● 正向压降,VF,正向电流,IF正向施加电压时流过的电流称为正向电流 IF。中频流过时的电压称为正向压降,VF。比较二极管的中频-VF特性时,流过相同量中频所需的VF越低,功率损耗越低,特性越好。VF具有负温度特性,因此温度越高,VF 越低。
● 反向电压,VR,反向漏电流,IR反向施加电压时流过的电流称为反向漏电流,IR。 IR 流动时的电压称为反向电压 VR。当反向施加电压时,会流过轻微的漏电流 IR。 IR较小的二极管功耗较小,可以防止热失控。IR具有正温度特性,因此温度越高,IR越高。
● 击穿电压,VZ当反向电压 VR 增加时,反向漏电流 IR 在一定电压下急剧增加。该电压称为击穿电压 VZ。击穿电压也称为齐纳电压。
开关特性:

从通过转动开关施加正向电压的状态开始施加反向电压时,恢复电流会流动。 从恢复电流流动到恢复电流减小的时间称为反向恢复时间,trr。 正向电流 IF 越大,trr 越长。 由于恢复电流会引起噪声和功率损耗,因此 trr 越短,特性越好。
下面描述当电压从正向电压变为反向电压时恢复电流流动的原因。

A、未施加电压时,空穴和电子处于平衡状态。


B、施加正向电压时,电子移动到P型半导体,空穴移动到N型半导体(即,IF流动)。



C、施加反向电压的瞬间在开关打开的那一刻,反向电压施加到二极管上,电子和空穴的运动方向相反。此时流动的电流为恢复电流。



D、施加反向电压时片刻之后,耗尽层膨胀,空穴和电子不再移动。从C到D的时间是trr。



二极管类型:

1、通用整流二极管
通用整流二极管用于商用电源整流(50Hz/60Hz)和反接保护电路。 这些二极管具有高击穿特性。
2、快恢复二极管
快速恢复二极管(FRD)用于开关电源等高频(几十到几百kHz)的整流。 与通用整流二极管相比,反向恢复时间 trr 更短。 通用整流二极管的trr为数μs~数十μs,而FRD的trr为数十~数百ns。

FRD的反向恢复时间trr很短,因为空穴被结附近的载流子陷阱捕获。

当已经穿透到N层的空穴移动到P层时,N层中的载流子陷阱捕获空穴并迅速消除空穴以缩短trr。trr和正向压降VF之间的权衡关系,因此,提供载流子陷阱结构以缩短trr会增加VF。相反,降低VF会增加trr。
由于FRD恢复电流会导致功率损耗,因此恢复电流的峰值应该很小。当恢复电流突然恢复时,会产生振铃,产生噪声,因此恢复电流较小、恢复较软的FRD具有更好的特性。

3、高压整流二极管
家用高压整流二极管用于微波炉逆变电路和高压电路。汽车高压整流二极管用于燃油喷射系统的点火线圈。
4、缓冲二极管
缓冲二极管是专为缓冲电路设计的辅助开关二极管,用于反激式开关电源的yi次侧。 它们降低了功率 MOSFET 关断时产生的振铃电压,有助于提高开关电源的效率和降低噪声。

5、交流发电机二极管
交流发电机二极管可以承受汽车发动机室的恶劣环境。 它们采用表面贴装和压入式封装。

6、TVS二极管

瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管用于保护电路和设备免受过流、过压和浪涌的影响。 无论电流如何,击穿期间 TVS 二极管的反向电压几乎是恒定的。 TVS 二极管使用反向特性来保护电路和设备。

7、肖特基二极管
肖特基二极管使用由肖特基结产生的势垒。 与 PN 结二极管相比,肖特基二极管具有更低的正向压降 VF 和更短的反向恢复时间 trr,使其适用于高速开关。trr 没有温度依赖性,因此 trr 在所有温度下都相同。
但是,与 PN 结二极管相比,肖特基二极管具有更大的反向漏电流、IR 和更高的功率损耗(IR ? VR)。 温度越高,功率损耗越大。 因此,需要设计散热以不发生热失控。
肖特基二极管的击穿电压低于PN结二极管,难以实现高击穿电压(一般可达150V)。
通过加厚 N 层和降低载流子浓度来提高击穿电压。 但是,由于电阻增加而损耗增加,VF也增加,因此性能超出实际使用范围。 我们正在开发使用下一代功率半导体 SiC 的高击穿电压和实用的 SiC 肖特基二极管。
肖特基势垒的高度取决于连接到半导体的金属类型。 电气特性因金属种类而异。
正向压降 VF 和反向漏电流 IR 之间存在折衷关系,具体取决于金属类型。 根据目标特性选择金属。
FRD的使用:
当功率MOSFET关断时,浪涌电流流过“浪涌吸收回路”,被电容吸收,电容的电荷通过“放电回路”放电。 该能量不会转移到次级侧,而是成为功耗。当电容器放电时,二极管的恢复电流流向功率 MOSFET。 为了减少功率MOSFET的损坏,请使用trr较短的快恢复二极管。 请注意,使用快速恢复二极管可能会引起噪声,并可能增加输入滤波器的组件。
Bootstrap二极管:
自举二极管用于高端驱动电路。由于恢复电流流向二极管取决于驱动器 IC 的开关频率,因此请选择具有快速恢复特性的二极管。 选择自举二极管时,应考虑施加到功率 MOSFET 的电压和高端灌电流。
BYPASS二极管:
1、用于保护功率 MOSFET 和整流二极管免受浪涌电流的影响当电感因浪涌电流而饱和时,大电流流向整流二极管并可能导致二极管损坏。 此外,当功率MOSFET在电感饱和状态下导通时,功率MOSFET可能会损坏。 因此,浪涌电流流向旁路二极管。这可以防止电感饱和,并保护功率 MOSFET 和整流二极管
2、用于保护桥式二极管免受雷击浪涌如果雷电浪涌施加到电路上,可能会损坏桥式二极管。 为了防止这种情况,雷电浪涌通过旁路二极管充电到电解电容器。
旁路二极管的电气特性
为了使浪涌电流或雷击浪涌电流通过旁路二极管,旁路二极管的正向电压必须低于升压二极管的正向电压。 当 PFC 输出电压高于输入电压时,旁路二极管关闭 (即,无需考虑 trr)。