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快恢复二极管电路图应用工作过程与原理解析-快恢复二极管的作用-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-07-19 

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快恢复二极管电路图应用工作过程与原理解析-快恢复二极管的作用

快恢复二极管介绍

主要讲快恢复二极管电路图的一些应用电路。快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。

快恢复二极管在制造工艺上采用掺金,单纯的扩散等工艺,可获得较高的开关速度,同时也能得到较高的耐压。目前快恢复二极管主要应用在逆变电源中做整流元件。


快恢复二极管电路图


快恢复二极管的作用是什么?

答 1:

一般地说用于较高频率的整流和续流。

至于电源模块的输入部份,好像频率不高,不必用快恢复二极管,用普通二极管即可。


答 2:

对于二极管来说,加在其两端的电压由正向变到反向时,响应时间一般很短,而相反的由反向变正向时其时间相对较长,此即为反向恢复时间,当二极管用做高频整流等时,要求反向恢复时间很短,此时就需要快恢复二极管(FRD),更高的超快恢复二极管(SRD),开关二极管,最快的是肖特基管(其原理不同于以上几个二极管)


快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。


快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,反向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,反向击穿电压(耐压值)较高。


通常,5~20A的快恢复二极管管采用TO–220FP塑料封装,20A以上的大功率快恢复二极管采用顶部带金属散热片的TO–3P塑料封装,5A以下的快恢复二极管则采用DO–41、DO–15或DO–27等规格塑料封装。


快恢复二极管工作原理

快恢复二极管的内部结构是在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。因基区很薄,反向恢复电荷很小,不仅大大减小了TRR值,还降低了瞬态正向压降,使管子能承受很高的反向工作电压。


快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒,正向压降约为0.6V,正向电流是几安培至几千安培,反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极管的反向恢复电荷进一步减小,使其trr可低至几十纳秒。20A以下的快恢复及超快恢复二极管大多采用TO-220封装形式。


加负电压(或零偏压)时,快恢复二极管等效为电容+电阻;加正电压时,快恢复二极管等效为小电阻。用改变结构尺寸及选择快恢复二极管参数的方法,使短路的阶梯脊波导的反射相位(基准相位)与加正电压的PIN管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压(或0偏置)的快恢复二极管控制的短路波导的反射相位与标准相位相反(-164°~+164°之间即可)。


快恢复二极管电路图的工作过程及失效分析

1、开封解析

二极管失效经过分析一直是机械应力导致失效,生产过程问题,后采取大比例对异常批次二极管进行全检,来料全险发现多单二极管反向漏电流严重超标,实测值在1000MA以上,二极管全检异常品未进行强电测试,对全检漏电流超标二极管进行开封解析同样存在晶元裂纹,将二极管寄给安森美分析确认晶圆同样有裂纹、开封解析及电镜扫描图如图1所示。


快恢复二极管电路图

图1 失效品开封解析与电镜扫描图片


2、二极管晶圆裂纹产生机械应力影响分析

排查二极管自插环节设备发现,二极管插装后引脚存在严重的应力,两边引脚严重变形。有内应力损伤问题,一般设计要求建议打点位置中心点到元件本体侧面的距离在1.5~2倍的D(本体直径),实际主板引脚跨距是1:1的尺寸。一般二极管引线跨距设计要求,引线直径在0.7-0.8,弯脚点离本体距离最小要在3.5左右,下线机型集中在使用了PCB 37002488的机型上面,失效位置集中在IPM(D18-D20)当中,而在开关电源电路D701当中该二极管失效较少;根据对PCB板图纸的排查,同一款PCB:IPM(D18-D20)间距为10.16mm,向电源电路D701却为13.6mm。


按照IPM(D18-D20)间距为10.16mm,达不到此要求,若是弯角时轻微受力再经过波峰焊的作用更容易出问题了;分析判定、部分PCB 35030124二极管插装间距设计不符合厂家推荐的插装间距要求,也不符合我司标准封装库35030124 13.5mm要求。


二极管插装前剪脚没有固定引脚进行成型,导致二极管插装后左右引脚成型不良,实际设备无法保证,存在应力隐患。


二极管应用PCB板设计引脚之间插装跨距设计不合格要求,跨距偏小,导致自插受力隐患大。


3、二极管X光透射、电镜扫描分析

经过对失效二极管进行X光透射分沂,二极管晶元与杜美丝之间焊接部分有焊料融化外延迹象,先烧裂后破损。是融化硅向外延升。使用电镜扫描可以看到有钎料融化迹象,二极管X光透射与电镜扫描分析图片如图2所示。


快恢复二极管电路图

图2 二极管X光透射与电镜扫描分析图


4、快恢复二极管应用电路工作过程

系统初始在上电瞬间自举电容两端电压为零,如果IPM需要正常启动工作,驱动电路VCC就需要正常供电,初始化时没有电压,在IPM工作前,需要对自举电容进行充电,通过控制驱动信号足够脉冲数量,精确控制IGBT开通,将电容两端电压抬升至目标电压,具体工作过程为:在上电瞬间需要对自举电容进行充电,下桥臂的IGBT开通将对应相输出电压拉低到地,电源通过自举电阻、自举二极管对电容进行充电。


当上桥IGBT开通时,输出电压再次升至母线电压水下。电容两端电压因不能突变,两端电压仍保持在供电电压水平,同时给IGBT驱动提供电压。自举二极管反向截止,将弱电电源部分与母线电压有效隔离,避免强电导入弱电击穿电路器件,以上是半个循环,后续周而复始进行。


电路分沂结果表明,通过对IPM自举电路初始上电工作瞬间工作原理及工乍过程进行分析发现,在电路开始工作之前系统初始化阶段,下桥IGBT开启自举电容充电过程二吸管承受电压最小,二极管不会存在过压失效可能,上桥IGBT开启过程二极管此时起到强弱电的有效隔离,两端承受电压最大,除IP同外为此电路承受电压冲击频率最大器件,如果器件因各种因素导致反向耐压偏低极易出现器件反向耐压不足击穿失效。导致内部IGBT开通异常急剧发热炸裂,所以经过对失效主板分析及器件应用电路分析判断,二极管异常导致炸板,经过实际模拟验证二极管耐压偏低确实可以导致模块炸失效,与下线故障现象一致。


主版失效表现为IPM炸裂失效、经过对失效主板进行检测分析及大量信息收集,确定二极管、IPM等失效集中在DCT测试工序上电瞬间,压缩机未启动即出现失效,接下来简单分析逆变电路上电脑同工作过程。电路工作简图如图3所示。


快恢复二极管电路图

图3 二极管应用电路


二极管失效集中IPM自学电路,对IPM自举电路工作原理及过程进行分析,电压自举抬升就是利用电路自身产生比输入电压更高的电压,实质是利用电容两端电压不能瞬间突变通过对电路进行调节控制来改变电路某点的瞬时电位,自举电路一般由四部分组成,即电源供电部分、自举电阻、自举二极管和自举电容。


快恢复二极管结构

快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。


因为PD的主要有源区是势垒区,所以展宽势垒区即可提高灵敏度。p-i-n结快恢复二极管实际上也就是人为地把p-n结的势垒区宽度加以扩展,即采用较宽的本征半导体(i)层来取代势垒区,而成为了p-i-n结。


p-i-n结快恢复二极管的有效作用区主要就是存在有电场的i型层(势垒区),则产生光生载流子的有效区域增大了,扩散的影响减弱了,并且结电容也大大减小了,所以其光检测的灵敏度和响应速度都得到了很大的提高。


快恢复二极管电路图


快恢复二极管特点

快恢复二极管的最主要特点是它的反向恢复时间(trr)在几百纳秒(ns)以下,超快恢复二极管甚至能达到几十纳秒。


快恢复二极管电路图


图是反向恢复电流的波形图。图中IF为正向电流,IRM为最大反向恢复电流,Irr为反向恢复电流,通常规定Irr=0.1IRM。当t≤t0时,正向电流I=IF。当t>t0时,由于整流管上的正向电压突然变成反向电压,因此,正向电流迅速减小,在t=t1时刻,I=0。然后整流管上的反向电流IR逐渐增大;在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用,反向电流逐渐减小,并且在t=t3时刻达到规定值Irr。从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。由t1到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。


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