1200V 超快恢复二极管 及其应用

作者:Nick Koper, 胡爱斌博士,刘源, 瑞能半导体

November 28, 2017

在现代社会中,电力已经成为最重要的能源。 计算机设备(桌面电脑,平板电脑,服务器包 括UPS),电动汽车(动力及充电系统),光伏发电装备,风力发电装备等等都是最为常见 的电能消耗以及产生装置。提高这些电力系统装置的效率正变得越来越重要。1200V 功率二 极管可以帮助提高系统的效率。


DC 电压
在电能转换系统中,低压系统比高压系统有着更高的能量损耗。 所以在最新的手机及平板充电系统中(USB-PD,9V,12V 甚至是 20V 开始逐渐出现。早期的5V 系统逐渐淡出。


当然了,手机和平板是低的功率系统(1W 到10W),但是 在大功率系统(>1KW)中可以看到同样的趋势。


大功率转换系统像UPS, 光伏逆变,充电桩大量使用boost/ flyback,Buck/Forward,Resonant 等拓扑的变换器。Flyback 和Forward 变换器基本是Boost 和buck 转换器的绝缘版。


一般来说这种系统里最高的DC 电压大概是400V 左右。在很 多新型的大功率系统中,为了获得更高的效率,700V 或者更高的 DC 电压会被使用。基于同样的理由,现在越来越多的手机使用的 USB-PD 电压是12V 而不是传统的5 V USB 电压。


Block diagram of a UPS system
图1: 由不同 DC/DC 模块组成的UPS 系统结构图


硬开关, 软开关以及由于二极管特性引起的损耗
硬开关和软开关是 DC-DC 变换器中的两种开关方式。双极 型的PN 二极管在这两种开关方式下表现完全不同。我们可以通过 工作在CCM 的boost 变换器和LLC 谐振变化器来研究二极管开 关行为。CCM boost 变换器基本上是硬开关方式,而LLC 谐振变 换器是软开关方式。


Principle diagram of a boost converter
图2: Boost 电路原理图


硬开关
连续导通模式(CCM) boost 转换器通常在电源系统中的功 率因数校正(PFC)电路中使用。 图


 Current waveform in the diode of a CCM boost converter
图3: (CCM) boost 转换器中通过二极管的电流( 仿真波形); 黑色 = IL1, 红色 = ID1


t1 时刻,开关管 Q1 导通,电感中的电流上升,同时二极管停 止导通。T2 时刻开关管 Q1 关断, 电流开始通过二极管。而此时 在漂移区只有少量的载流子(电子和空穴)。 这就使得二极管的初 始阻抗相对较高从而二极管压降(Vfr) 也相应升高。 经过一段时 间(tfr – 数量级大概是10 to 100 ns) ,足够的载流子被注入到 了漂移区,二极管阻抗大大下降直到等于静态压降VF。 由于二 极管开关所导致的能量损耗大概等于:



瑞能半导体有限公司简介
瑞能半导体有限公司是由恩智浦半导体与北京建广 资产管理有限公司强强联手共同投资建立的高科技合资 企业,于2016 年1 月19 日宣布正式开业,运营中心落 户上海。


瑞能半导体注册于南昌, 全资子公司和分支机构包括 吉林芯片生产基地、上海和英国产品及研发中心、香港销 售分公司、以及遍布全球其他国家的销售和客户服务点。


作为全球功率半导体行业的佼佼者,瑞能半导体受 益于恩智浦先进的双极性功率技术以及建广资产在中国 制造业和分销渠道的强大资源网络,致力于改善和研发 业界领先的功率半导体器件的产品组合,包括可控硅整 流器、功率二极管、高压晶体管、碳化硅等,广泛应用 于全球汽车、电信、计算机与消费电子、智能家电、照明、 电源管理等各市场领域,帮助客户实现更高的成本效益 和生产效率,助力中国以及全球智能制造的发展。



Formula 1

损耗Esw-on 完全是消耗在二极管本身。


开启后, 电流仍然流过二极管并且慢慢减少。. 这个过程持 续到开关管 Q1 再次关断. 二极管导通期间功率的损耗如下:


Formula 2

这个可以被近似为:


Formula 2a

这里的 VF and IF are the average VF and IF l各自的平均值。所有的损耗 都耗散在二极管本身。


在每个Q1 关断时刻,整个过程会重复。


在(t1) 时刻,D1 被关断, 其中的电流没有马上降到零。在 这种情况下,双极型的二极管不能马上阻断电流。在一个双极型 二极管中,漂移区的存储电荷必须在电流被阻断之前被抽出。反 向电流加上存储电荷可以从图3 中很清楚的观察到。存储电荷 (Qs) 的抽离引起了关断损耗 (Esw-off)。跟关断有关的损耗跟存储 电荷需要通过的电压降成比例。一般在boost 电路中,压降跟 boost 电路输出电压(Vout); 相等。也就是说存储电荷在初始的时候 是在 Vout 水平然后被“运输”到了地电势(0 V) ,这是因为Q1 闭 合了.


Formula 3

存储电荷 Qs 是流过二极管的电流(IF) 和载流子寿命τa 的乘积。


Formula 4

综合(3) 和 (4) 和已知关断时间在t1, 关断损耗可以表达为:


Formula 5

能量损耗Esw-off 一般来说,只有部分耗散在二极管本身; 大部 分是损耗在开关管上。


双极性电荷载流子的寿命周期τa 不是一个常量; 寿命随着器 件中电流密度的降低而降低 。这就使得选择一个较小的二极管会有 效的降低系统的损耗,尤其是在开关损耗大大高于导通损耗的情况 下。虽然使用较小的二极管会引起导通损耗的增加,但是增加部分 小于开关损耗的较少。具体请参阅方框内的文字解释 “导通损耗和 开关损耗”.


电荷载流子寿命随着温度的升高而增加。所以为了降低开关损 耗,有必要让二极管保持在较低的工作温度。 图4: LLC 谐振转换器原理图 软开


Principle diagram of an LLC resonant converter
图4: LLC 谐振转换器原理图


软开关
在UPS 或者光伏逆变器中,经常会看到LLC 谐振变换器的身 影。开关管Q1, Q2, 以及L1 ( 变压器电感), L2 ( 变压器漏感) , C1 ( 串联电容) 共同生成了流出二次侧的正弦电流(或者类正弦). 正弦电流被整流桥(D1, D2, D3, D4) 整流后得到C2 两端的直流电 压DC 流经D1 和D4 组合( 或者D2,D3 组合) 在开关时基本上是零。


因为二极管是在过零点时开启, 二极管的开启损耗要比在硬开 关拓扑中低很多–Vfr 非常的低,有时候甚至观查不到。 计算开启 损耗的等式(1) 是针对于硬开关的, 在软开关的拓扑中IF 接近于零, 所以开启损耗基本上为零。



开关损耗和导通损耗
在半导体的开关管中 ( 二极管,三极管,MOSFET 等 等) ,两个方面决定了大部分损耗: 电流导通和电流开关。


导通损耗 ( 通态损耗) 可以通过把半导体器件做的更 大来降低。


开关损耗是由于半导体器件中充电状态的改变造成的: 越多电荷参与状态转换就会引起更大的损耗。


开关损耗可以通过以下方法降低:

  • (1) 把器件做得更小;
  • (2) 调整器件的工作方式,使得更少的电荷参与开关 转换。通常的副作用就是会引起导通损耗的升高。

开关损耗是跟开关速度成正比的,当开关速度较低的 时候,导通损耗会占主导;这时选择大的器件会得到较低 的功率损耗。频率较高的时候,必须要权衡导通损耗和开 关损耗以达到最低的总损耗。这种情况下,最优的器件是 (1) 较小的器件 (2) 开关特性得到优化, 或者两者皆有。 为 了降低总损耗,有时候必须接受导通损耗的升高。



Current waveforms in the diodes of an LLC resonant converter
图5: LLC 谐振变换器中二极管的电流波形(仿真) 蓝色 = ID1 and ID4, 红色 = ID2 and ID3


二极管的关断损耗是非常低的,这是因为此刻流过的电流接近 零。同样的,等式 (3 or 5) 仍然成立, 但是 IF 比在硬开关拓扑中 低很多. 可以从图5 中二极管的反向恢复电流波形中看出,电流只 是稍微的过零点,整体的关断损耗也相应的降低了。


这里对二极管主要的要求是能匹配上LLC 谐振变换器的开关 速度。


此外,导通损耗是不能避免的。等式(2)中给出了导通损耗 的计算方法。


因为开关损耗在软开关拓扑中占比较少,同样的双极型二极管 可以用在更高的频率。


1200V 二极管
超快恢复二极管需要进行寿命控制来达到更快的开关速度( 参 阅“寿命控制”) – 原理上,600V 快恢复管和1200V 快恢复管 没有区别。但是,与600V 二极管相比,1200V 二极管需要更宽 的漂移/ 耗尽区来达到1200V 耐压。更宽的漂移区意味着抽离存 储电荷形成耐压需要更长的时间。为了研发一个跟600V 快恢复管 同样速度的1200V 快恢复管,需要把载流子的寿命降得更低。这 些额外的寿命控制会使得 VF 升高,而引起导通损耗升高。由于这 个原因,我们可以看到600V 超快恢复管的反向恢复时间在20ns 左右,而同样的1200V 二极管,恢复时间大概在60ns 左右。


如何在导通损耗和开关损耗中权衡,对于600V 快恢复管来 说是一个挑战,对于1200V 快恢复管来说,更难以权衡。图6 给出了1200V 快恢管(FRD)在125°C 的IF-VF 特性。其中 BYC30-1200P 为瑞能半导体公司的1200V、30A 的快恢管。图 中同时给出了竞品A 和竞品B 的特性。在30A 的电流条件下,竞 品A、BYC30-1200P 和竞品B 的导通压降VF 分别为2.03V, 2.17V 和2.30V。图7 给出了1200V 快恢管(FRD)在125°C 的反向恢复特性。和竞品B 相比,BYC30-1200P 具有更好的反 向恢复软度。BYC30-1200P 和竞品A 具有类似的反向恢复软 度,但是其反向恢复的电荷更低。通过计算图7 中电流在反向恢复 过程中和横轴围成的面积可以给出反向恢复的电荷。在IF=30A, VR=400V,dIF/dt=500A/us 的条件下, 竞品A、BYC30- 1200P 和竞品B 的反向恢复电荷Qrr 分别为1845nC,1570nC 和1879nC。图8 给出了 1200V 快恢管(FRD)在125°C 的导 通压降VF 和反向恢复电荷Qrr 的折衷特性图。和竞品A 和竞品B 相比,BYC30-1200P 具有更好的折衷特性。


Current waveforms in the diodes of an LLC resonant converter
图6: 1200V 快恢管(FRD)在125° C 的IF-VF 特性



Current waveforms in the diodes of an LLC resonant converter
图7: 1200V 快恢管(FRD)在125° C 的反向恢复特性



寿命控制
半导体开关或者是单极型的比如肖特基二极管和 MOSFETs,或者是双极型的比如PN 二极管和三极管。


在单极型器件中,只有电子或者空穴导电,而在双 极型的开关中,电子和空穴同时导电。单极型器件的一 个优点是开关速度快。而双极型器件的优点是他们的导 电能力更强。


由于电导调制现象,双极型器件在同样尺寸的条件 下,比单极型器件的导电能力更强。


但是电导率调制也有不好的一面,当一个双极型器 件导电的时候,高浓度的载流子(电子和空穴)被注入 到器件的漂移区。当双极型器件


需要关断的时刻,多余的载流子必须被抽离出漂移 区,才能阻断电流:双极型器件不能马上关断。要么等 到空穴和电子在漂移区复合要么主动的把这些载流子抽 离出来。在电流阻断之前,主动抽离的载流子形成了所 谓的反向恢复电流。


注入到漂移层的电荷浓度取决于载流子的寿命。在 一般的硅器件,有效的载流子寿命大概是微秒级(us)。


对于工频(50Hz 或者60Hz)的整流二极管来说, 载流子的寿命不是问题。但是在需要快速开关的场合, 寿命控制必须要来降低载流子有效寿命。


载流子寿命的降低意味着漂移区电荷浓度的降低。 这就引起了导电能力的下降(高VF), 同时可以加快空 穴电子的复合:二极管开关更快了(低trr)。


电荷寿命可以通过在硅片中扩散低浓度的金或者铂金 来控制。金或者铂金的原子作为复合中心会加快电子和空 穴的复合。


同时,复合中心在关断的时候也能成为产生中心。这 就使得掺金或者掺铂金的二极管跟没掺杂的二极管相比有 较高的漏流。二极管越快,漏流越高。而且随着温度的升高, 漏流会越来越高,如果控制不好会产生热奔。掺金和掺铂 金的二极管最大的区别就是在同样的工作温度下,掺金的 二极管漏流会更高。所以掺铂金的二极管可以工作在175 度以下,而掺金的二极管只能工作在150 度以下。



Current waveforms in the diodes of an LLC resonant converter
图8: 1200V 快恢管(FRD)在125° C 的导通压降VF 和 反向恢复电荷Qrr 的折衷特性特性图


漏流与高温工作能力
加在双极型二极管终端的反偏电压会导致漏流。 超快 恢复二极管需要高浓度的复合中心 ( 参阅“寿命控制”) 来 实现快速开关的能力, 但是这些复合中心同时也能作为产生中 心,产生漏流。而且当温度升高时,产生中心会增加,进一步 增大漏流。当一个快恢复管必须可靠的工作在高温的条件下, 漏流引起的损耗一定不能造成热奔。为了实现超快恢复二极管 这些特性,必须选择合适的寿命控制技术。传统的“掺金”工 艺通常不能使超快恢复二极管工作在150°C 以上。一种增强的 “掺铂”工艺可以使得二极管工作在 最高175°C 的情况。瑞 能半导体的1200V 快恢管都采用掺铂的工艺,其最大结温可以 达到175 °C。在150 °C, VR=1200V 的反偏电压下,器件 的漏电流小于1mA。


选择适合的寿命控制技术以及合理的导通与开关损耗的折 衷,整个开关电源系统有望达到高效率,低成本的要求。图9 给出了Boost PFC 在20KHz 开关频率下的对比结果。在效 率测试中,开关管采用IGBT,对应的开关频率为20KHz。在 对比测试中,除了更改测试用的快恢管,其他的条件均不变。 我们测试了500W 和1000W 输出功率下系统的效率。从图9 可以看出,和竞品A 和竞品B 相比,瑞能半导体的BYC30- 1200P 具有最高的系统效率。


Current waveforms in the diodes of an LLC resonant converter
图9: Boost PFC 在20KHz 开关频率下的对比结果。


基于前面的讨论,瑞能半导体的1200V 的快恢管具有优 化的导通压降和反向恢复电荷,因此在实际应用中具有更高的 系统效率。另外,通过设计和寿命控制的优化,快恢管具有 175°C 的最大结温,更适合在高温条件下工作。因此瑞能半导 体的1200V 的快恢管最适合在UPS、光伏逆变、电动汽车动 力及充电系统以及其他的开关电源中应用。


Current waveforms in the diodes of an LLC resonant converter