快恢復二極管介紹

主要講快恢復二極管電路圖的一些應用電路。快恢復二極管（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、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。

快恢復二極管在制造工藝上采用摻金，單純的擴散等工藝，可獲得較高的開關速度，同時也能得到較高的耐壓。目前快恢復二極管主要應用在逆變電源中做整流元件。

快恢復二極管的作用是什么?

答 1:

一般地說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，不必用快恢復二極管，用普通二極管即可。

答 2:

對于二極管來說，加在其兩端的電壓由正向變到反向時，響應時間一般很短，而相反的由反向變正向時其時間相對較長，此即為反向恢復時間，當二極管用做高頻整流等時，要求反向恢復時間很短，此時就需要快恢復二極管（FRD），更高的超快恢復二極管（SRD），開關二極管，最快的是肖特基管（其原理不同于以上幾個二極管）

快恢復二極管（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、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。

快恢復二極管的內(nèi)部結(jié)構與普通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，構成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。

通常，5~20A的快恢復二極管管采用TO–220FP塑料封裝，20A以上的大功率快恢復二極管采用頂部帶金屬散熱片的TO–3P塑料封裝，5A以下的快恢復二極管則采用DO–41、DO–15或DO–27等規(guī)格塑料封裝。

快恢復二極管工作原理

快恢復二極管的內(nèi)部結(jié)構是在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復電荷很小，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。

快恢復二極管的反向恢復時間一般為幾百納秒，正向壓降約為0.6V，正向電流是幾安培至幾千安培，反向峰值電壓可達幾百到幾千伏。超快恢復二極管的反向恢復電荷進一步減小，使其trr可低至幾十納秒。20A以下的快恢復及超快恢復二極管大多采用TO-220封裝形式。

加負電壓（或零偏壓）時，快恢復二極管等效為電容+電阻；加正電壓時，快恢復二極管等效為小電阻。用改變結(jié)構尺寸及選擇快恢復二極管參數(shù)的方法，使短路的階梯脊波導的反射相位（基準相位）與加正電壓的PIN管控制的短路波導的反射相位相同。還要求加負電壓（或0偏置）的快恢復二極管控制的短路波導的反射相位與標準相位相反（-164°～+164°之間即可）。

快恢復二極管電路圖的工作過程及失效分析

1、開封解析

二極管失效經(jīng)過分析一直是機械應力導致失效，生產(chǎn)過程問題，后采取大比例對異常批次二極管進行全檢，來料全險發(fā)現(xiàn)多單二極管反向漏電流嚴重超標，實測值在1000MA以上，二極管全檢異常品未進行強電測試，對全檢漏電流超標二極管進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)生機械應力影響分析

排查二極管自插環(huán)節(jié)設備發(fā)現(xiàn)，二極管插裝后引腳存在嚴重的應力，兩邊引腳嚴重變形。有內(nèi)應力損傷問題，一般設計要求建議打點位置中心點到元件本體側(cè)面的距離在1.5～2倍的D(本體直徑)，實際主板引腳跨距是1:1的尺寸。一般二極管引線跨距設計要求，引線直徑在0.7-0.8，彎腳點離本體距離最小要在3.5左右，下線機型集中在使用了PCB 37002488的機型上面，失效位置集中在IPM(D18-D20)當中，而在開關電源電路D701當中該二極管失效較少；根據(jù)對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，達不到此要求，若是彎角時輕微受力再經(jīng)過波峰焊的作用更容易出問題了；分析判定、部分PCB 35030124二極管插裝間距設計不符合廠家推薦的插裝間距要求，也不符合我司標準封裝庫35030124 13.5mm要求。

二極管插裝前剪腳沒有固定引腳進行成型，導致二極管插裝后左右引腳成型不良，實際設備無法保證，存在應力隱患。

二極管應用PCB板設計引腳之間插裝跨距設計不合格要求，跨距偏小，導致自插受力隱患大。

3、二極管X光透射、電鏡掃描分析

經(jīng)過對失效二極管進行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、快恢復二極管應用電路工作過程

系統(tǒng)初始在上電瞬間自舉電容兩端電壓為零，如果IPM需要正常啟動工作，驅(qū)動電路VCC就需要正常供電，初始化時沒有電壓，在IPM工作前，需要對自舉電容進行充電，通過控制驅(qū)動信號足夠脈沖數(shù)量，精確控制IGBT開通，將電容兩端電壓抬升至目標電壓，具體工作過程為：在上電瞬間需要對自舉電容進行充電，下橋臂的IGBT開通將對應相輸出電壓拉低到地，電源通過自舉電阻、自舉二極管對電容進行充電。

當上橋IGBT開通時，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，同時給IGBT驅(qū)動提供電壓。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，避免強電導入弱電擊穿電路器件，以上是半個循環(huán)，后續(xù)周而復始進行。

電路分沂結(jié)果表明，通過對IPM自舉電路初始上電工作瞬間工作原理及工乍過程進行分析發(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程二吸管承受電壓最小，二極管不會存在過壓失效可能，上橋IGBT開啟過程二極管此時起到強弱電的有效隔離，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。導致內(nèi)部IGBT開通異常急劇發(fā)熱炸裂，所以經(jīng)過對失效主板分析及器件應用電路分析判斷，二極管異常導致炸板，經(jīng)過實際模擬驗證二極管耐壓偏低確實可以導致模塊炸失效，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)過對失效主板進行檢測分析及大量信息收集，確定二極管、IPM等失效集中在DCT測試工序上電瞬間，壓縮機未啟動即出現(xiàn)失效，接下來簡單分析逆變電路上電腦同工作過程。電路工作簡圖如圖3所示。

圖3 二極管應用電路

二極管失效集中IPM自學電路，對IPM自舉電路工作原理及過程進行分析，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，實質(zhì)是利用電容兩端電壓不能瞬間突變通過對電路進行調(diào)節(jié)控制來改變電路某點的瞬時電位，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。

快恢復二極管結(jié)構

快恢復二極管的內(nèi)部結(jié)構與普通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，構成PIN硅片。

因為PD的主要有源區(qū)是勢壘區(qū)，所以展寬勢壘區(qū)即可提高靈敏度。p-i-n結(jié)快恢復二極管實際上也就是人為地把p-n結(jié)的勢壘區(qū)寬度加以擴展，即采用較寬的本征半導體（i）層來取代勢壘區(qū)，而成為了p-i-n結(jié)。

p-i-n結(jié)快恢復二極管的有效作用區(qū)主要就是存在有電場的i型層（勢壘區(qū)），則產(chǎn)生光生載流子的有效區(qū)域增大了，擴散的影響減弱了，并且結(jié)電容也大大減小了，所以其光檢測的靈敏度和響應速度都得到了很大的提高。

快恢復二極管特點

快恢復二極管的最主要特點是它的反向恢復時間（trr）在幾百納秒（ns）以下，超快恢復二極管甚至能達到幾十納秒。

圖是反向恢復電流的波形圖。圖中IF為正向電流，IRM為最大反向恢復電流，Irr為反向恢復電流，通常規(guī)定Irr=0.1IRM。當t≤t0時，正向電流I=IF。當t＞t0時，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時刻，I=0。然后整流管上的反向電流IR逐漸增大；在t=t2時刻達到最大反向恢復電流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時刻達到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反向恢復過程與電容器放電過程有相似之處。由t1到t3的時間間隔即為反向恢復時間trr。
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