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[原创] 功率二极管降额

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2021-5-15
发表于 2021-3-20 18:53:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
反向电压VRM
1)功率二极管反向电压是指二极管在工作时,电路加在二极管两端的反向电压。在二极管降额规范中,额定工作点和I、II工作区的电压降额都是以最大反向电压作为降额对象。在特殊情况下,二极管的反向电压稳定不变,如PFC电路中,额定工作点可以参考平台电压进行降额(平台电压参考功率MOSFET中描述)。
功率二极管反向电压是指二极管在工作时,电路加在二极管两端的反向电压。在二极管降额规范中,电压降额按平台电压和尖峰电压两个部分分别进行考核,关于平台电压和尖峰部分的划分原则,可以参照《功率MOSFET降额操作指导》中Vds漏源电压中的说明部分。各个产品工作区域的电压降额都是以最大反向电压(包括平台和尖峰)作为降额对象。
一般功率二极管的规格书中会给出几个电压值,例如VR(DC阻断电压)、VRRM(重复尖峰反向电压)、VRWM(反向波峰电压),降额时以VR作为功率二极管额定电压,当没有标明VR时,以VRRM作为额定电压。
二极管在电路中承受的反向电压,如下图:VRM是最大反向电压。
由于高反压二极管在承受接近额定电压的反向电压时,更容易造成二极管失效,因此对高电压的二极管的降额标准比低反压的二极管更严一些。本降额规范以500V作为分界,大于等于500V的二极管的反向电压降额标准比低于500V的二极管提高10%。
在功率二极管的降额规范中,除对I、II工作区做电压降额外,还要对额定工作点做电压降额。
由于高反压二极管在承受接近额定电压的反向电压时,更容易造成二极管失效,因此对高电压的二极管的降额标准比低反压的二极管更严一些。降额时以500V作为分界,大于等于500V的二极管的反向电压降额标准比额定电压低于500V的二极管略严。
2)目前功率二极管大部分都是没有雪崩能量的。对于没有雪崩能量的二极管,使用过程中反向电压不能超过器件额定反向耐压。对于有一定雪崩能量的二极管,在II区(极限瞬态工作区)可以出现单次或有限次数的反向电压超过额定值的情况。
如实际反向电压超过额定值,则必须通过《器件偏离降额的处理流程》评审,在做雪崩能量测试时,需要测试最大反向电压,雪崩电流和雪崩时间。必须注意的是,被测二极管的实际反向耐压一定等于或接近额定耐压值,否则测试失去意义。
实际雪崩能量计算如下:
W=VBR*IAVA*t
出现雪崩情况时,实际雪崩能量必须小于相应壳温下的雪崩能量值的70%。
1.5.1.2  正向电流IF
1)在理论上来讲,如果能够有效控制结温,可以不考虑二极管正向电流因素。因为正向电流的影响也是通过影响结温(包括瞬态结温)来影响器件的失效率的。但考虑到可操作性,尤其是瞬态结温的可操作性,我们仍然规定了正向电流的降额以作为结温降额的补充判断。
二极管的正向电流包括平均正向电流,重复峰值电流,浪涌电流。
平均正向电流是二极管在正常工作状态下(I工作区)(典型工作区),流过二极管的电流的平均值,平均正向电流的大小决定二极管的平均结温和壳温。
除了平均正向电流,厂家规格书通常也会标出25℃时正弦半波下的重复峰值电流和浪涌电流值,这些值是正弦半波的幅值。
重复峰值电流是二极管在正常工作状态下,流过二极管的正向脉动电流的最大值,功率二极管电流降额中除了对平均电流做降额外,还要对重复峰值电流做降额。有的厂家没有标明重复峰值电流,根据经验公式,重复峰值电流额定值IFRM通常是25℃下I F(AV)的3~5倍。
如果二极管的正向电流为脉冲电流, 除了对脉冲电流峰值进行降额计算外,还需要将脉冲电流IFR折算成平均电流IFAV,按正向平均电流IFAV进行降额计算。
浪涌电流发生在II工作区(极限瞬态工作区),是二极管在电路中承受单次不重复的大电流脉冲,或者重复频率很低,重复次数有限,对二极管本身和周围环境不会产生热积累的大电流脉冲。对于存在浪涌电流的二极管,除了要求做平均电流的降额外,还要做浪涌电流的降额。
对于II工作区(极限瞬态工作区)出现的单次电流脉冲串或低频率重复的电流脉冲串,当电流脉冲串的电流平均值超过2倍额定平均值时,就要折算为浪涌电流来做降额。折算方法为取脉冲串的宽度为浪涌电流的宽度,取各脉冲电流的最大值的包络线,作为浪涌电流曲线。
考核重复峰值电流和浪涌电流值的时候也要结合考虑瞬态结温不能超过降额规定。具体计算方法可以参考以下附件:
2)需要注意的是,我们在对电流进行降额时所规定的降额系数是基于对应壳温或环境温度的,因为不同壳温(或环温)所对应的平均电流额定值也是不同的(注意电流额定值其实是一种极限值,即为使结温达到最大允许结温如150℃时的电流值),可以查询器件手册的IF(AV)~Tc(或TA)关系曲线来找到这个值,如下图:

当厂家规格书中没有提供这个图时,我们可以处理:
如果二极管的实际壳温TCU低于规格书中规定测试温度TC时,以规格书中的标称值IF(AV)作为降额时的基准值(即相应壳温下的最大平均电流)。
如果二极管的实际壳温TCU高于规格书中规定测试温度TC时,以下式计算结果:
IFAVM(TC)=IFAVM*(TJM-TCU)/(TJM-TC)
作为降额时的基准值。
     重复峰值电流和浪涌电流值均可以按以上处理。
1.5.1.3  Tj结温
功率二极管的最大结温决定二极管正向电流的降额,结温对二极管开通关断等动态参数有较大影响。
如下图:二极管MBR20100CT的最大平均正向电流与壳温的关系,在直流电流条件下,壳温从123℃到最高结温,通过电流能力从最大值到零,以线性关系衰减。
二极管的器件资料中都规定最高工作结温,及最大正向电流与结温的关系,但二极管的结温不能直接测量,只有通过测量二极管的壳温或环境温度,及二极管的功耗,通过二极管的热阻来计算出来。
二极管的结温降额包括稳态最高结温和瞬时结温,二极管在发生雪崩击穿和出现浪涌电流时,瞬时结温较高,需要考虑瞬时结温降额。二极管的稳态结温通过结温降额计算来保证,瞬时结温通过雪崩能量和浪涌电流在相应壳温下降额来保证。
1.5.1.4  功耗
在二极管的降额表中没有功耗降额项,但在计算二极管结温时,需要用功耗作为中间参数。功率二极管在电路中的功率消耗包括开通期间、关断期间和开关过程中造成的损耗的总和。对于开关电路中二极管(如输出整流二极管)的功率消耗,计算如下:
P=P1+P2+P3+P4
P1:导通损耗   P1=[VT0*IF(AV)+Rd*IF2(RMS)]*δ
P2:阻断损耗   P2=VR*IR*(1-δ)
P3:关断损耗   P3=(VR*IRM2*S*F)/6*dIF/dt
P4:开通损耗   P4=0.4*(VFP-VF)*IFmax*tfr*F
在实际计算时,可根据实际应用情况简化上述计算。如工作在直流的二极管只需计算正向压降损耗;反向漏电损耗较小时可以忽略阻断损耗,等等。
1.5.2 器件应力的测量、计算方法
1.5.2.1  反向电压VRM的测量
测量二极管反向电压的主要工具是数字示波器,要求示波器的带宽不低于100MHz,测试时通道带宽选择全带宽,避免频带衰减造成的误差。
在选取测试点时,示波器探头的探针和地线要尽可能选取被测二极管的引脚根部。示波器探头的探针和地线之间构成的回路面积要尽量小。在测试有较大电磁干扰的机型时,也要注意示波器与被测机器的距离、相对位置等,将机器对示波器的干扰降到最低。
在I工作区(极限稳态工作区)测试二极管的反向电压时,要求整机或单板是在全动态下测试的最大电压值。如输入电压从最低到最高,输出电流由最大到最小等等。II工作区(极限瞬态工作区)要求测试整机上电、下电及负载跳变等瞬态情况,I工作区和II工作区(所有工作区域)都要求在整个工作温度范围内测试。需要注意的是,二极管工作时承受的反向电压最大值不一定发生在最大输入电压或最大输出电流等特定条件下,还可能发生在某些条件组合时,测试时需耐心寻找。
对于关键部位的二极管,如主回路二极管,同一个编码下的不同厂家,由于参数上的微小差别,在单板上承受的反向电压可能会不同。另外在温度等外部条件变化时,不同厂家二极管的参数变化会有差别,二极管两端电压的变化也会不同,这需要在测试时做充分的互换测试。
1.5.2.2  正向电流IF的测量
测试电流可以使用电流枪示波器、电流表,也可以采用串接电阻测试压降的方法计算电流。
在测试仪器接入电路时,要尽量缩短接入的引线长度,避免串接引线对回路的影响。在使用串接电阻测量方法时,要选取合适的阻值,即保证测试精度,又尽量减小引入电阻对电路的影响。测量使用的示波器要求是不低于100MH带宽的数字示波器,并且通道处于全带宽状态,保证测试精度。
在测试浪涌电流时,除了测试浪涌电流的峰值,还要测试浪涌电流的宽度。对于多个电流尖峰构成的浪涌电流包络,测试整个包络的宽度。
1.5.2.3  器件壳温TCU或TAU的测量和结温Tj的估算
结温无法直接测试,只能通过测试器件的环境温度TA或外壳温度TC,通过器件消耗的功率PD,及器件的相应热阻Rthjc或Rthja,计算得出:
      TJ=TCU+Rthjc*PD
PD为二极管消耗的功率,TCU为二极管实际工作壳温,Rthjc为二极管结到壳的热阻。
如果二极管为无散热片封装,则计算公式为:
TJ=TAU  + Rthja*PD                 TAU为二极管工作环境壳温,Rthja为二极管结到环境的热阻。
二极管有多种封装形式,不同的封装形式测试壳温的位置不同,对于器件本身有金属散热片的二极管,测试点选取在金属散热片上,对于没有金属散热片的二极管,测试点选取在离芯片较近的封装外壳上。
具体测试点如下:
1) 型轴向封装或小型贴片封装,如DO35、DO41、SMA等,测试TAU点选择封装体的中心点。
2)贴片封装,如DPAK、D2PAK等,测试TCU点选择在金属散热片上。
3)插装器件,如TO220、TO247等,测试TCU点选择在金属散热片上。
4)螺丝安装类型器件,如SOT227,测试TCU点选择在金属散热底座上。
5)对于使用时不安装散热器的插装器件和绝缘封装的插装器件,如ISOTO220,测试TAU点选择封装体的中心点。
6)在有些情况下,二极管通过导热绝缘材料安装在散热器上,可以测试散热器的温度,作为计算结温的依据,计算时需要考虑导热绝缘材料的热阻。这种方法误差较大,不推荐使用。
测试完壳温TCU或TAU后,就可以根据公式Tj=TCU+Rthjc*P或Tj=TAU+Rthja*P来计算结温。
P是二极管工作时的功耗,计算方法见1.5.1.4

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