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二极管选型技巧

嘉峪检测网        2025-08-02 21:32

根据实际应用需要,选择合适的二极管参数对电气性能、可靠性、EMI性能都至关重要,二极管通流量越大意味着寄生电容越大,反向恢复时间也就可能更长,反向恢复时间越长也并意味着EMI性能会更好,反向恢复损耗却越大。

 

不同封装的二极管、不同制造工艺的二极管、不同厂商的二极管、不同型号的二极管均可能对EMI性能产生影响。二极管的工作电压、应用方式也会对EMI性能产生重大影响。

 

一、二极管反向恢复时间参数的选择

根据二极管反向恢复时间的长短,二极管可分为慢恢复二极管、快恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基二极管等。

1.1、肖特基二极管(SBD)

肖特基二极管(SBD)是一种低功耗、超高速半导体器件,广泛应用于高频开关电源、变频器、电机驱动器等,作为高频与低压大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管等使用,也在微波通信等电路中作整流二极管使用。

二极管选型技巧

图1:肖特基二极管的结构

肖特基二极管是由贵金属(金、银、铝、铂)为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在大量的电子,贵金属总仅有极少量的自由电子,所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散;金属A中没有空穴,也就不存在空穴自A向B的扩散运动。

随着电子不断从B扩散到A,B表面电子浓度逐渐降低,表面电中性被破坏,于是就形成势垒,其电场方向为B到A,但在该电场作用之下,A中的电子也会产生从A到B的漂移运动,从而削弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡,便形成肖特基势垒。

综上所述,肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别,通常将PN结整流管称作结整流管,而把金属-半导体整流管称作肖特基整流管。肖特基整流管仅用一种载流子输送电荷,在势垒外侧无过剩少数载流子的积累,不存在电荷存储问题,使其开关特性获得很大改善,其反向恢复时间已能缩短到10ns以内,反向耐压值却较低(100V以内)。

肖特基二极管优缺点

肖特基二极管由于势垒高度低于PN结势垒高度,其正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低(约0.2V);由于肖特基二极管是一种多数载流子导电器件,不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。反向恢复时间只是肖特基势垒电容的充、放电时间,完全不同于PN结二极管的反向恢复时间。由于肖特基二极管反向恢复电荷少,故开关速度非常快,开关损耗也特别小,尤其适合于高频应用。

缺点是:由于肖特基二极管反向势垒较薄,并且在其表面极易发生击穿,故反向击穿电压比较低,比PN结二极管更容易受热击穿,反向漏电流比PN结二极管大。

1.2、快恢复二极管(FRD)

快恢复二极管(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。

二极管选型技巧

图2:快恢复二极管

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。

1.3、超快恢复二极管(UFRD)

超快恢复二极管(UFRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间超短的半导体二极管,常用于高频逆变装置的开关器件作续流、吸收、箝位、隔离、输出和输入整流器,使开关器件的功能得到充分发挥。

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图3:超快恢复二极管

超快恢复二极管具有超快恢复时间、大电流能力、高抗浪涌电流能力、低正向压降、低反向漏电流。

1.4、如何区分肖特基二极管与快恢复二极管

结构原理差异

肖特基二极管的结构是金属-N型半导体构成,快恢复二极管是PN结+薄基区结构构成,两者在结构组成存在明显差异,即制造工艺完全不同。

反向击穿电压差异

肖特基二极管反向击穿电压≦100V,限制其应用范围,快恢复二极管反向峰值可以到几百到几千伏,在开关电源变压器次级使用100V以上的高频整流二极管等只有使用超快恢复的二极管(UFRD。

正向导通压降差异

肖特基二极管正向导通压降很低仅为0.4V,快恢复二极管为0.6V。

反向恢复时间差异

快恢复二极管是指反向恢复时间很短的二极管,从性能上分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒甚至更长,后者则在100纳秒以下。肖特基二极管的反向恢复时间很短(10ns-40ns)。 

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图4:二极管主要参数对比

1.5、二极管反向恢复时间参数的选型要点说明

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图5:变压器尖峰吸收RCD电路

在反激开关电源电路中,初次变压器线圈通断产生的电压尖峰吸收RCD电路,在使用快恢复二极管时,在开关MOS管关断前,电容CB114电压处于恒定值,当MOS管关断时,电容CB114上的电压快速升高,然后快速放电到恒定值,而快速放电只能通过快恢复二极管来实现,测试波形如下图所示:

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 图6:变压器尖峰吸收RCD电路使用快恢复二极管时电容端电压测试波形

将变压器尖峰吸收RCD电路二极管由快恢复二极管改为慢恢复二极管,振铃最大峰值下降将近2V,最小峰值下降3V,振铃电位差下降5V,具体波形如下图所示:

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图7:变压器尖峰吸收RCD电路使用慢恢复二极管时电容端电压测试波形

【选型总结1】

尖峰吸收RCD电路使用慢恢复二极管比使用快恢复二极管时,电容端的电压峰值则会降低,同时也会降低RCD电路二极管阳极的尖峰电压。

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 图8:变压器尖峰吸收RCD电路使用快恢复二极管时二极管阳极电压波形

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 图9:变压器尖峰吸收RCD电路使用慢恢复二极管时二极管阳极电压波形

【选型总结2】

尖峰吸收RCD电路使用慢恢复二极管比使用快恢复二极管时,二极管阳极的电压峰值则会降低,二极管阳极尖峰电压降低的原因是因为慢恢复二极管结电容要远大于快恢复二极管的结电容,在开关管关断,二极管未导通瞬间,相当于二极管结电容与开关管D-S极结电容并联,类似加大高频吸收电容,所以高频振荡噪声也随之降低。

 

二、二极管封装选型

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 图10:插件二极管

工作于开关状态的二极管,其本体即存在电场辐射,也存在磁场辐射。插件二极管是采用架空散热,其空间辐射能力也较强,引脚寄生电感也远大于贴片二极管,更容易产生寄生振荡,而导致严重的EMI问题。当插件二极管采用金属散热片实现散热时,散热片的接地体后可以屏蔽电场。

使用贴片二极管时,降低了其空间磁场辐射能力;由于需要采用PCB铜箔进行散热,铜箔本身就成为电场辐射的源头,设计时需要进行合理管控。

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 图11:贴片二极管

 

【选择总结】

选择插件二极管时需要关注其空间场耦合(电场辐射与磁场辐射);选择贴片二极管时需要关注其电场耦合,典型案例如前文。

 

 

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来源:风陵渡口话EMC