开关电源的关键元件·FRDSRD快恢复和超快恢复二极管

快恢复二极管（FRD / F ast R ecovery D iode）

超快恢复二极管（SRD / S uperfast R ecovery D iode）

它们是电力电子半导体器件。具有反向恢复时间短、正向电流大、开关特性好、体积小、耐压高、安装简便等优点。广泛用于脉宽调制器、高频加热装置、开关电源、不间断电源(UPS)、变频调速器等，作为高频、大电流的续流二极管或整流二极管或阻塞二极管。

快恢复二极管和超快恢复二极管的性能特点

1、反向恢复时间【trr】

反向恢复时间，是指电流通过零点由正向转换成反向，再由反向转换到规定低值的时间间隔。

它是衡量高频续流及整流器件性能的重要技术指标。

如下图所示：反向恢复电流的波形

【IF】正向电流

【IRM】最大反向恢复电流

【Irr】反向恢复电流

通常规定Irr=0.1IRM

当t≤t0时，正向电流I=IF

当t>t0时，由于整流管上的正向电压突变成为反向电压，因此正向电流迅速减小，在t=t1时刻，I=0，随后反向电流IR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM，之后收到正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并在t=t3时刻达到规定值Irr。

由t1到t3的时间间隔就是反向恢复时间【trr】。

2、结构特点

快恢复二极管 的结构与普通二极管不同，它是在P、N型硅材料中间增加了基区，构成P-I-N硅片。

由于基区很薄，反向恢复电荷很小，这不仅大大减小了【trr】值，还降低了瞬态正向压降，使它能承受很高的反向工作电压。

快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向压降约为0.6V，正向电流为几安培至几千安培，反向峰值电压可高达几百到几千伏。

超快恢复二极管 是在快恢复二极管基础上发展而来的，它的反向恢复电荷进一步减小，【trr】可低至几十纳秒。

20A以下的快恢复和超快恢复二极管大多采用TO-220封装。

从内部结构看，可分成单管、对管两种，如下图：

对管内部包含两只二极管，根据接法的不同，又有共阴对管、共阳对管之分。

它们大多采用TO-220封装，几十安的快恢复、超快恢复二极管一般采用TO-3P金属壳封装，更大容量(几百安～几千安)的则采用螺栓型或平板型封装，主要技术指标见下表：

快恢复二极管和超快恢复二极管的检测方法

1、反向恢复时间【trr】的测量

测量电路如下图：

图中，由直流电流源提供规定的【IF】正向电流，脉冲发生器通过隔直电容器【C】施加脉冲信号，利用示波器观察【trr】，为了测量准确，最好使用200MHz带宽的数字存储示波器进行观察与分析。

2、常规检测

业余条件下，利用模拟万用表的电阻挡或数字万用表的二极管挡，能够检查它们的单向导电性，并测出正向导通压降。用兆欧表，还能测量反向击穿电压。

需要注意，单管也有3个引脚的，中间为空脚，出厂时一般剪掉，但也有保留的。如果对管中有一只管子损坏，仍可作单管使用。

快恢复二极管和超快恢复二极管的选取原则及产品型号

1、选取原则

a、作为阻塞二极管

初级保护电路中与钳位二极管(TVS)配套使用的阻塞二极管，必须选用超快恢复二极管。它们的反向恢复时间trr≤75ns，多数管子在20~50ns之间。

典型产品有美国通用仪器公司(G eneral I nstrument / GI)生产的UF4000、UF5400两大系列，荷兰飞利浦公司(Philips)生产的BYV26系列、BYV27系列和BYW29系列，美国摩托罗拉公司(Motorola)生产的MURl00系列。选取阻塞二极管的原则可参考下表：

b、作为输出整流管

超快恢复二极管适合作为开关电源中的高压、大电流整流管。

选择时，最高反向工作电压要为实际反向电压的2倍，额定整流电流要为实际最大连续输出电流的3倍。

这样才能保证器件在较长时间工作时，不易损坏。

c、作为反馈电路中的整流管

反馈电路中的整流管通常选硅高频开关整流管1N4148，但也可选用UF4003、MURl20、BAV21等超快恢复二极管。

2、常用器件参数表

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开关电源 输出整流二级管

开关电源的输出整流管一般采用快恢复二极管(FRD)、超快恢复二极管(SRD) 或肖特基二极管(SBD)。它们具有开关特性好、反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装简便等优点。

一.快恢复及超快恢复二极管的选择

1．反向恢复时间

反向恢复时间trr的定义是：电流通过零点由正向转向反向，再由反向转换到规定低 值的时间间隔。它是衡量高频整流及续流器件性能的重要技术指标。反向恢复电流的波 形如图3—7—1所示。图中，IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，Irr为反向恢复电 流，通常规定Irr=0.1IRM。当t < t0时，正向电流I=IF。当t > t0时，由于整流管上的正 向电压突然变成反向电压，因此正向电流迅速减小，在t &= t0时刻I = 0。然后整流管上 流过反向电流IR，并且IR逐渐增大；在t=t2时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正 向电压的作用，反向电流逐渐减小，并且在t=t3时刻达到规定值Irr从t2到t3的反向 恢复过程与电容器放电过程有相似之处。由zt2到t3的时间间隔即为反向恢复时间trr。

图3-7-1 反向恢复电流的波形

2．快恢复二极管的结构特点

快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中增加了基 区I，构成P-I-N硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了trr值，还 降低了瞬态正向电压，使管子能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时 间一般为几百纳秒，正向压降约为0.6V，正向电流为几安培至几千安培，反向峰值电压可 达几百至几千伏。

超快恢复二极管则是在快恢复二极管基础上发展而成的，其反向恢复电荷进一步减小， trr值可低至几十纳秒。

20A以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用TO—220封装。从内部结构看，可 分成单管、对管两种。对管内部包含两只快恢复或超快恢复二极管，根据两只二极管接法的 不同，又有共阴对管、共阳对管之分。图3—7—2(a)示出C20—04型快恢复二极管(单管) 的外形及内部结构。图3—7—2(b)、(c)分别示出C92—02型(共阴对管)、MURl680A型 (共阳对管)超快恢复二极管的外形与构造。它们大多采用TO—220封装，主要技术指标见表3—7—1。常用超快恢复二极管的型号及 主要参数见表3—7—2。几十安的快恢复、超快恢复二极管一般采用TO—3P金属壳封装， 更大容量(几百安至几千安)的管子则采用螺栓型或平板型封装。

图3-7-2 三种快恢复及超快恢复二极管的外形及内部结构

表3-7-1 几种快恢复、超快恢复二极管的主要技术指标

型号

结构特点

反向恢复时间 trr(nS)

平均整流电流 Id(A)

最大瞬时电流 IFSM(A)

反向峰值电压 URM(V)

封装形式

C20-40

单管

400

5

70

400

TO-220

C92-02

共阴对管

35

10

50

200

TO-220

MUR1680A

共阳对管

35

16

100

800

TO-220

EU2Z

单管

400

1

40

200

DO-41

RU3A

单管

400

1.5

20

600

DO-15

表3-7-2 常用超快恢复二极管的型号及主要参数

型号

URM(V)

Id(A)

trr(nS)

生产厂家

UF4001

50

1

25

GI公司

UF4002

100

1

25

UF4003

200

1

25

UF4004

400

1

50

UF4005

600

1

30

UF4006

800

1

75

UF4007

1000

1

75

UF5401

100

3

50

UF5402

200

3

50

UF5406

600

3

50

UF5408

1000

3

50

BYV27-100

100

2

25

Philips公司

BYV27-150

150

2

25

BYV27-200

200

2

25

BYV26D

800

2.3

75

BYV26E

1000

2.3

75

超快恢复二极管在开关电源中的典型应用如图3—7—3所示。图(a)中的漏极钳位 保护电路使用一只UF4007型超快恢复二极管VD1，输出整流电路采用MBU420型 4A/200V超快恢复二极管。图(b)中的输出整流管采用一只MBUl640型16A/200V超快 恢复对管，以满足大电流输出的需要。

图3-7-6 超快恢复二极管在开关电源中的典型应用

二.肖特基二极管的选择

1．肖特基二极管的工作原理

肖特基二极管是以金、银、铂等贵金属为阳极，以N型半导体材料为阴极，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。它属于五层器件，中间层 是以N型半导体为基片，上面是用砷做掺杂剂的N-外延层，最上面是由金属材料铂构成的 阳极。N型基片具有很小的导通电阻。在基片下面依次是N+阴极层、阴极金属。典型的肖 特基二极管内部结构如图3—7—4所示。通过调整结构参数，可在基片与阳极金属之间形成 合适的肖特基势垒。当加上正偏压E时，金属A与N型基片B分别接电源的正、负极，此 时势垒宽度W0变窄。加负偏压-E时，势垒宽度就增加，见图3—7—5。近年来，采用硅平 面工艺制造的铝硅肖特基二极管已经问世，不仅能节省贵金属，减少环境污染，还改善了 器件参数的一致性。肖特基二极管仅用一种载流子(电子)输送电荷，在势垒外侧无过剩 少数载流子的积累，因此它不存在电荷储存效应，使开关特性得到了明显改善。其反向恢复 时间(trr)可缩短到l0nS以内。但它的反向耐压较低，一般不超过l00V，适宜在低电压、大 电流下工作。利用其低压降的特性，能显著提高低压、大电流整流(或续流)电路的效率。

图3-7-4 肖特基二极管的结构

图3-7-5 加外偏压时势垒宽度的变化情况

2．肖特基二极管在开关电源中的典型应用

可供开关电源输出电路使用的肖特基二极管型号参见表3—7—3

表3-7-3 肖特基二极管的选择

最高反向工作电压 URM(V)

最大平均整流输出电流 Id(A)

3A

4~6A

20

1N5820，MBR320P，SR302

1N5823

30

lN5821，MBR330，31DQ03，SR303

50WQ03，1N5824

40

lN5822，MBR340，31DQ04，SR304

MBR340，50wQ04，lN5825

50

MBR350，31DQ05，SR305

50WQ05

60

MBR360，DQ06，SR306

50WR06，50SQ060

肖特基二极管在开关电源中的典型应用电路如图3—7—6所示(局部)。为了降低二 次绕组及整流管的损耗，二次侧电路由两个绕组、两只整流管VD2、VD3并联而成， 然后公用一套滤波器。二次侧整流管均采用20A/100V的肖特基对管MBR20100，可以 把整流管的损耗降至最低。L为共模电感。该开关电源的输出电压为19V，最大输出电 流为3．68A。

图3-7-6 肖特基管在开关电源中的典型应用电路(局部)

三.几种整流管的性能比较

肖特基二极管、快恢复二极管和普通高频硅整流管的典型伏安特性分别如图3—7— 7中曲线a、b、c所示。由图可见，肖特基二极管的正向导通压降UF最低，快恢复二 极管较高，高频硅整流管最高。表3—7—4列出了肖特基二极管、超快恢复二极管、快 恢复二极管、高频硅整流管的性能比较。由表可见，普通高频硅整流管的trr与快恢复二 极管相当，但平均整流电流很小，不能做大电流整流用。中、小功率肖特基二极管大多 采用TO-220封装。

图3-7-7 肖特基二极管、快恢复二极管、和高频硅整流管的典型伏安特性

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