快恢復二極管電路圖應用工作過程與原理解析-快恢復二極管的作用

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脈寬調制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續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脈寬調制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續流二極管或阻尼二極管使用。

快恢復二極管的內部結構與普通PN結二極管不同，它屬于PIN結型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區I，構成PIN硅片。因基區很薄，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等規格塑料封裝。

快恢復二極管工作原理

快恢復二極管的內部結構是在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區I，構成PIN硅片。因基區很薄，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。

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。用改變結構尺寸及選擇快恢復二極管參數的方法，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

二極管失效經過分析一直是機械應力導致失效，生產過程問題，后采取大比例對異常批次二極管進行全檢，來料全險發現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、二極管晶圓裂紋產生機械應力影響分析

排查二極管自插環節設備發現，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，通過控制驅動信號足夠脈沖數量，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，后續周而復始進行。

電路分沂結果表明，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現，在電路開始工作之前系統初始化階段，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器件反向耐壓不足擊穿失效。導致內部IGBT開通異常急劇發熱炸裂，所以經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，與下線故障現象一致。

主版失效表現為IPM炸裂失效、經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生比輸入電壓更高的電壓，實質是利用電容兩端電壓不能瞬間突變通過對電路進行調節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。

快恢復二極管結構

快恢復二極管的內部結構與普通PN結二極管不同，它屬于PIN結型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區I，構成PIN硅片。

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

p-i-n結快恢復二極管的有效作用區主要就是存在有電場的i型層（勢壘區），則產生光生載流子的有效區域增大了，擴散的影響減弱了，并且結電容也大大減小了，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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