記得功率肖特基二極管剛出現的時候,很多文章都告訴我們:肖特基二極管是多數載流子導電的,不存在反向恢復電流。
如果現在還有人這么說,有經驗的開關電源工程師都會對此嗤之以鼻吧。
按照一些更詳細的肖特基二極管模型,這種二極管內部實際上還是存在少數載流子的,只不過這些少數載流子可以說是在電場中感應出來的,數量相對較少。通常少數載流子電流在總電流中所占的份額比較少。
硅基肖特基二極管反向恢復時間,現在似乎一般認為不超過10ns。
SiC肖特基二極管做為一種新型的功率器件,在某些方面相對原有的快恢復二極管性能有明顯的優勢,特別是反向恢復電流這個參數。
現在很多文章都宣稱,SiC SBD沒有反向恢復電流。說實在的,我對此很有疑慮,從原理上來講,似乎這是說不通的。
昨晚我我無意中在一篇論文里面見到一個表格,這個表格或許能解答這個問題(當然,這些數據的來源可靠性我不敢保證):
根據這個表格里面的數據,SiC中的少子壽命居然比Si小6個數量級,這就意味著SiC PN結的反向恢復時間只有Si PN結的約100萬分之一!
雖然快恢復二極管中,采用摻雜金原子等手段來減少少數載流子的壽命,兩種材料的開關速度相差不至于到100萬倍的差異,但從這些數據我們可以大致認為SiC二極管可以擁有比Si二極管短的多的反向回復時間。
另一方面,Si SBD由于其原理反向恢復時間比超快恢復二極管反向恢復時間更短。同理,我們也可以預期SiC SBD的反向恢復時間也能比SiC PN結短。
結論:
根據已知的資料,大概我們可以合理的認為SiC SBD應該有一個非常短的反向恢復時間。
而且,我們還可以預期SiC SBD的反向恢復非常短,以至于在MOSFET有限的開關速度驅動下,我們甚至幾乎無法測量到明顯的反向恢復波形——我們能夠測量到的類似波形,基本上可以由二極管的結電容來解釋。
PN結型結構,有的采用改進的PIN結構。其正向壓降高于普通二極管(0.5-2V),反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快恢復和超快恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長,后者則在100ns(納秒)以下。 肖特基二極管是以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管,簡稱肖特基二極管(Schottky Barrier Diode),具有正向壓降低(0.4--1.0V)、反向恢復時間很短(2-10ns納秒),而且反向漏電流較大,耐壓低,一般低于150V,多用于低電壓場合。 肖特基二極管和快恢復二極管區別:前者的恢復時間比后者小一百倍左右,前者的反向恢復時間大約為幾納秒! 前者的優點還有低功耗,大電流,超高速!電特性當然都是二極管!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. 肖特基二極管:反向耐壓值較低(一般小于150V),通態壓降0.3-0.6V,小于10nS的反向恢復時間。它是有肖特基特性的“金屬半導體結”的二極管。其正向起始電壓較低。其金屬層除材料外,還可以采用金、鉬、鎳、鈦等材料。其半導體材料采用硅或砷化鎵,多為N型半導體。這種器件是由多數載流子導電的,所以,其反向飽和電流較以少數載流子導電的PN結大得多。由于肖特基二極管中少數載流子的存貯效應甚微,所以其頻率響僅為RC時間常數限制,因而,它是高頻和快速開關的理想器件。其工作頻率可達100GHz。并且,MIS(金屬-絕緣體-半導體)肖特基二極管可以用來制作太陽能電池或發光二極管?!?快恢復二極管:有0.8-1.1V的正向導通壓降,35-85nS的反向恢復時間,在導通和截止之間迅速轉換,提高了器件的使用頻率并改善了波形??旎謴投O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FRD(Fast Recovery Diode)是近年來問世的新型半導體器件,具有開關特性好,反向恢復時間短、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點。超快恢復二極管SRD(Superfast Recovery Diode),則是在快恢復二極管基礎上發展而成的,其反向恢復時間trr值已接近于肖特基二極管的指標。它們可廣泛用于開關電源、脈寬調制器(PWM)、不間斷電源(UPS)、交流電動機變頻調速(VVVF)、高頻加熱等裝置中,作高頻、大電流的續流二極管或整流管,是極有發展前途的電力、電子半導體器件。 1.性能特點1)反向恢復時間反向恢復時間tr的定義是:電流通過零點由正向轉換到規定低值的時間間隔。它是衡量高頻續流及整流器件性能的重要技術指標。反向恢復電流的波形如圖1所示。IF為正向電流,IRM為最大反向恢復電流。Irr為反向恢復電流,通常規定Irr=0.1IRM。當t≤t0時,正向電流I=IF。當t>t0時,由于整流器件上的正向電壓突然變成反向電壓,因此正向電流迅速降低,在t=t1時刻,I=0。然后整流器件上流過反向電流IR,并且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,并在t=t3時刻達到規定值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。2)快恢復、超快恢復二極管的結構特點快恢復二極管的內部結構與普通二極管不同,它是在P型、N型硅材料中間增加了基區I,構成P-I-N硅片。由于基區很薄,反向恢復電荷很小,不僅大大減小了trr值,還降低了瞬態正向壓降,使管子能承受很高的反向工作電壓??旎謴投O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。從內部結構看,可分成單管、對管(亦稱雙管)兩種。對管內部包含兩只快恢復二極管,根據兩只二極管接法的不同,又有共陰對管、共陽對管之分。圖2(a)是C 20-04型快恢復二極管(單管)的外形及內部結構。(b)圖和(c)圖分別是C92-02型(共陰對管)、MUR1680A型(共陽對管)超快恢復二極管的外形與構造。它們均采用TO-220塑料封裝,主要技術指標見表1。 幾十安的快恢復二極管一般采用TO-3P金屬殼封裝。更大容量(幾百安~幾千安)的管子則采用螺栓型或平板型封裝形式。2.檢測方法1)測量反向恢復時間測量電路如圖3。由直流電流源供規定的IF,脈沖發生器經過隔直電容器C加脈沖信號,利用電子示波器觀察到的trr值,即是從I=0的時刻到IR=Irr時刻所經歷的時間。設器件內部的反向恢電荷為Qrr,有關系式 trr≈2Qrr/IRM 由式(5.3.1)可知,當IRM 為一定時,反向恢復電荷愈小,反向恢復時間就愈短。2)常規檢測方法在業余條件下,利用萬用表能檢測快恢復、超快恢復二極管的單向導電性,以及內部有無開路、短路故障,并能測出正向導通壓降。若配以兆歐表,還能測量反向擊穿電壓。實例:測量一只超快恢復二極管,其主要參數為:trr=35ns,IF=5A,IFSM=50A,VRM=700V。將萬用表撥至R×1檔,讀出正向電阻為6.4Ω,n′=19.5格;反向電阻則為無窮大。進一步求得VF=0.03V/格×19.5=0.585V。證明管子是好的。注意事項:1)有些單管,共三個引腳,中間的為空腳,一般在出廠時剪掉,但也有不剪的。2)若對管中有一只管子損壞,則可作為單管使用。3)測正向導通壓降時,必須使用R×1檔。若用R×1k檔,因測試電流太小,遠低于管子的正常工作電流,故測出的VF值將明顯偏低。在上面例子中,如果選擇R×1k檔測量,正向電阻就等于2.2kΩ,此時n′=9格。由此計算出的VF值僅0.27V,遠低于正常值(0.6V)。
關于二極管的反向恢復電流
理想的二極管在承受反向電壓時截止,不會有反向電流通過。而實際二極管正向導通時,PN結內的電荷被積累,當二極管承受反向電壓時,PN結內積累的電荷將釋放并形成一個反向恢復電流,它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。反向恢復電流在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強烈的高頻衰減振蕩。因此,輸出整流二極管的反向恢復噪聲也成為開關電源中一個主要的干擾源??梢酝ㄟ^在二極管兩端并聯RC緩沖器,以抑制其反向恢復噪聲.
碳化硅材料的肖特基二極管,恢復電流極小,特別適合用于APFC電路,可以使電路簡潔很多。