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Si功率元件

Si二極體

所謂二極體-快速恢復二極體的特徵

現在進入Si二極體的第3回合。這次要說明高速整流二極體(以下FRD)的特徴和特性改善、以及應用程式。

Si-FRD的特徴

Si-FRD是PN接面的二極體,特徵是高速性,Trr高速。另一方面,VF一般偏高也可以說是特徵。例如,通用10A等級的VF給人2V弱等印象。這是因為Trr的高速性及VF位於折衷﹙取捨,trade-off﹚關係。不過,VF被大幅減低的類型已開發,可以藉由應用程式選擇最適當的Si-FRD。

下表彙整了Si-FRD的特徴和適用的應用程式。表中有「×」記號者,表示比其他差、不適合。

Si-FRD的種類和特徵

超高速型雖然VF高,但由於反向電流IR低,在連續模式的PFC(力率改善)用途上損失少,因此合適。
高速且低VF的平衡型通用性非常高,可以藉由各種應用程式來利用FRD的高速性。

超低VF型雖然IR特性稍差,但可以藉由低VF來降低導通損失,適合尖峰電流大的臨界模式PFC。

此外,下圖表示VF和Trr位於折衷﹙取捨,trade-off﹚的關係。橘色為具有VF低、Trr長、其間之IR也大等特性的FRD。紅色為其相反特性。想必可以明白,高速時VF高、低VF時Trr/IR大的關係。

Si-FRD的反向恢復時噪音

Si-FRD的噪音

實際上,這種低噪音且稱為「軟恢復」﹙soft recovery﹚型的Si-FRD業已開發成功。這裡就其程序﹙approach﹚稍做說明。
為使IRp變小且讓dir/dt穏定,有必要各別採取改善方法。首先,降低P型矽(正極)的不純物濃度來減少IRp。雖然因此而使漏電流減少、IRp減少,不過dir/dt維持陡峭,噪音依舊存在,留下了採折衷方式使VF上升的課題。

Si-FRD的反向恢復時噪音 : IRp的改善

實際上,這種低噪音且稱為「軟恢復」﹙soft recovery﹚型的Si-FRD業已開發成功。這裡就其程序﹙approach﹚稍做說明。

為使IRp變小且讓dir/dt穏定,有必要各別採取改善方法。首先,降低P型矽(正極)的不純物濃度來減少IRp。雖然因此而使漏電流減少、IRp減少,不過dir/dt維持陡峭,噪音依舊存在,留下了採折衷方式使VF上升的課題。

Si-FRDの逆回転時ノイズ IRpの改善

其次,為緩和傾斜度,實施白金(Pt)擴散來作為生命期殺手(lifetime killer),藉由縮短生命期成功使dir/dt軟化。生命期(lifetime)是載子(carrier)於PN接面變成OFF/反向偏壓時藉由再結合直到還原的時間,時間長的話所殘留的載子會引發電流流動等現象。生命期殺手可加速再結合,縮短生命期。一般以擴散不純物作為生命期殺手,此時為Pt。

談到製造過程,雖然對不熟悉的人來說稍微有點難,不過以這2個方法為基礎最後成功達到在大致維持 Trr和VF特性下大幅抑制反向恢復噪音的Si-FRD。下圖為實際的波形,比較了軟恢復(紅)和標準型(藍)。可以明顯看出,軟恢復型﹙soft recovery﹚的噪音非常少。

Si-FRD的反向恢復時噪音 : 傾斜度 (dir/dt) 的改善

Si-FRD的Trr和VF的應用程式想像圖

最後介紹Si-FRD的特性和適用的應用程式,希望能作為設計的參考。如先前所説明的,依據Trr高速型VF高、VF低者Trr下降的基本傾向,選擇適合應用程式特性的類型。

說到PFC,BCM(臨界模式)中VF極低者、CCM(連續模式)中Trr極高者在降低損失方面各有貢獻。

此外,降低噪音、VF和Trr折衷(取捨)最佳化的類型可以適用於非常廣泛的應用程式。

FFRD的特性和應用程式想像圖

重點:

・Si-FRD的特性取決於擴散到矽元素的不純物。

・Si-FRD的VF和Trr位於折衷(trade-off)的關係。

・反向恢復時的噪音由於會因切換電源應用程式而出現不良影響,改良型業已問世。


Silicon Power Devices Application Examples Utilizing the Merits