【導(dǎo)讀】反并聯(lián)二極管的正確設(shè)計需要考慮各種因素。其中一些與自身技術(shù)相關(guān),其它的與應(yīng)用相關(guān)。但是,正向壓降Vf 、反向恢復(fù)電荷Qrr 以及Rth與Zth散熱能力 終將構(gòu)成一種三角關(guān)系。
引言
反并聯(lián)二極管的正確設(shè)計需要考慮各種因素。其中一些與自身技術(shù)相關(guān),其它的與應(yīng)用相關(guān)。但是,正向壓降Vf 、反向恢復(fù)電荷Qrr 以及Rth與Zth散熱能力 終將構(gòu)成一種三角關(guān)系。
由于在當(dāng)前的二極管技術(shù)條件下,二極管芯片本身的尺寸已經(jīng)被削減至很小,所以二極管設(shè)計師再次將目光投向電氣性能(忽略成本因素)。本文將聚焦驅(qū)動應(yīng)用中的二極管,進(jìn)行利弊分析與思考。對于所有應(yīng)用來說,所考慮的基本點是一樣的:應(yīng)該使用靜態(tài)損耗較低的二極管,還是考慮整個系統(tǒng)(包括IGBT)性能而使用靜態(tài)損耗稍高但開關(guān)損耗較低的二極管。
二極管優(yōu)化
二極管的反向恢復(fù)電荷Qrr與正向壓降Vf的關(guān)系曲線可以表示出二極管的特性。這意味著,原則上該曲線上的每一個點都能實現(xiàn),如圖1所示。因此,可以設(shè)計出低Qrr、高Vf的二極管,或者低Vf、高Qrr的二極管。該曲線可以通過改變電流密度或壽命抑制實現(xiàn)。
圖 1 二極管的Qrr-Vf關(guān)系曲線
一般而言,芯片尺寸越大,由于電流密度降低,正向壓降Vf也會降低,這有助于改善芯片的散熱能力,但同時開關(guān)損耗增加,成本也會有所提高。
對于給定的電流密度和芯片尺寸而言,通過局部(例如氦離子照射)或整體(電子照射或帶有再結(jié)合中心的摻雜,如金或鉑)方法削減載流子壽命有著相似的作用??s短載流子壽命可削減器件中的積累電荷Qrr,但降低了導(dǎo)通性能,提高了正向壓降Vf;延長載流子壽命能降低正向壓降Vf,但開關(guān)損耗增高。大多數(shù)實用二極管采用一種或多種壽命控制方法,但整流二極管除外。整流二極管頻率非常低并且對導(dǎo)通損耗要求很高,因此并不總是需要削減載流子壽命。
圖2 取決于芯片尺寸的熱阻
對于本文討論的二極管技術(shù)而言,改變電流密度或芯片尺寸都能導(dǎo)致非常相似的曲線。本文選擇了改變電流密度并進(jìn)行了相關(guān)計算。這種方法意味著更小尺寸的二極管芯片,從而實現(xiàn)單片晶圓更高的芯片產(chǎn)量,從而削減芯片的單位價格。
另一方面,更小的芯片有著更高的結(jié)對殼熱阻RthJC,因此首先想到的是需要更大的散熱器。但這一結(jié)論下得為時過早。
芯片尺寸與熱阻RthJC之間的關(guān)系如圖2所示??梢钥闯鲭p曲線值近似由圓片貼裝、芯片本身以及導(dǎo)線框的焊接厚度所決定。
但是,為了得出 終評價,有必要更深入地了解總損耗以及IGBT與二極管的損耗分配。
圖3 從二極管到IGBT的整流過程
對整流過程的分析顯示,二極管的反向恢復(fù)電荷產(chǎn)生的電流不僅加在二極管本身,而且還流過被整流的IGBT,如圖3所示。集電極波形中的陰影部分代表二極管的反向恢復(fù)特性以及寄生輸出電容放電產(chǎn)生的額外電荷。但輸出電容部分通??梢院雎?,因為IGBT電容非常小,因此,可假設(shè)該區(qū)域是完全由反向恢復(fù)造成的??梢钥闯?,首先,當(dāng)IGBT電壓還處于高電平時,反向恢復(fù)電流已經(jīng)開始流動。其次,二極管電流拖尾100ns左右。很明顯,二極管的反向恢復(fù)性能對于IGBT中的開關(guān)損耗有著非常重要的作用。
觀察功率損耗的分布情況可知,主要功率損耗通常來自IGBT,因此IGBT會造成二極管芯片的發(fā)熱。如果二極管本身有更高的損耗,在二極管自身的發(fā)熱比IGBT的損耗發(fā)熱更高時,這種情況才會發(fā)生改變。從產(chǎn)品角度來說,提高二極管的溫度是有利的,這樣可以降低總體損耗以及IGBT結(jié)溫。在額定條件下,當(dāng)IGBT結(jié)溫等于二極管結(jié)溫時,可實現(xiàn) 損耗分布。
這意味著,盡管優(yōu)化型二極管可能因為更小的芯片尺寸而獲得更高的RthJC,但這不影響IGBT與二極管結(jié)合的性能,因為總體功耗降低了。與EmCon2技術(shù)相比,采用EmCon3技術(shù)的全新反并聯(lián)二極管具有較高的正向壓降、改進(jìn)的反向恢復(fù)特性以及更低的開關(guān)損耗。
圖4 二極管優(yōu)化的損耗平衡(RthHS = 4.2 K/W,TA = 50℃, cosΦ= 0.7)
該結(jié)論與大多數(shù)人的理解——用于驅(qū)動應(yīng)用的二極管必須針對低導(dǎo)通損耗進(jìn)行優(yōu)化-相矛盾。特別是在家電驅(qū)動中,如變頻洗衣機(jī),低開關(guān)損耗同樣至關(guān)重要。因為在那些應(yīng)用中,開關(guān)頻率可以達(dá)到15 kHz或更高。在這種情況下,開關(guān)損耗將構(gòu)成驅(qū)動中整體損耗的很大一部分,絕不能被忽視。這種優(yōu)化為多種應(yīng)用打開了大門——不僅在驅(qū)動市場,還有所謂的“高速”領(lǐng)域。
圖5 TrenchStop-IGBT采用Vf優(yōu)化型二極管(左條形圖)以及采用 終設(shè)計二極管(右條形圖)時的開關(guān)損耗
EMCON3與EMCON2技術(shù)的基準(zhǔn)
兩種帶二極管的IGBT的單位安培功率損耗平衡情況如圖4所示。左條形圖顯示的是 推出的EmCon3技術(shù)與TrenchStop-IGBT(IGBT3技術(shù))結(jié)合的結(jié)果。如上所述, EmCon3技術(shù)是針對更低開關(guān)損耗以及稍高正向壓降進(jìn)行優(yōu)化的。右條形圖顯示的是EmCon2技術(shù)與TrenchStop-IGBT結(jié)合的結(jié)果。本基準(zhǔn)中使用的EmCon2二極管是英飛凌Fast-IGBT系列中的反并聯(lián)二極管。該二極管針對低正向壓降進(jìn)行了優(yōu)化。在圖4中使用的是IGP10N60T, 熱阻RthHS =4.2 K/W的散熱器, 環(huán)境溫度TA = 50℃, 使結(jié)溫升高至125℃左右。開關(guān)頻率fP為16 kHz,證明了IGP10N60T和EmCon3技術(shù)結(jié)合的性能。從圖5中可以看出,正如預(yù)期的那樣,IGBT導(dǎo)通損耗根本不受二極管影響。Vf優(yōu)化型二極管的Qrr提高對IGBT的動態(tài)損耗PvsI和二極管的動態(tài)損耗PvsD有很大影響。兩種影響合在一起:二極管本身動態(tài)損耗的提高及其對IGBT的影響,超越了Vf優(yōu)化型二極管導(dǎo)通期間的優(yōu)勢。該特性在開關(guān)頻率為5 kHz 左右時已經(jīng)非常明顯,開關(guān)頻率越高影響越大。
圖6 用于溫度計算的熱等效電路
當(dāng)然,針對具體硬件電路設(shè)計確定損耗平衡的各個部分并非易事。通常,工程師在外殼或?qū)Ь€框上測量溫度。兩個二極管的熱阻RthJC被認(rèn)為是一樣的。結(jié)合系統(tǒng)的熱等效電路如圖6所示。恒定環(huán)境溫度形成共同的外殼溫度TC,該溫度由散熱器熱阻以及IGBT和二極管的損耗總量決定。因此,二極管和IGBT不同的結(jié)對殼熱阻RthJCD 和RthJCI可導(dǎo)致不同的結(jié)溫TJD和 TJI。
兩種結(jié)合系統(tǒng)形成的結(jié)溫如圖7所示。結(jié)溫接近125°C,與IGP10N60T和Vf優(yōu)化型EmCon2二極管結(jié)合相比,IGP10N60T與Qrr優(yōu)化型EmCon3二極管結(jié)合實現(xiàn)了更低的結(jié)溫。在左側(cè)條形圖中,二極管和IGBT的溫度要低4K,IGBT的功率損耗低0.7 W ,二極管低0.2 W。由于IGBT的RthJC更低,IGBT更大的損耗減小對結(jié)溫的影響比二極管相對更少的損耗減小產(chǎn)生的影響要小。因此溫度差是一樣的。
圖7 兩種結(jié)合系統(tǒng)形成的結(jié)溫
當(dāng)然,損耗降低也被較小的RthJC犧牲了一部分。但是計算顯示,在環(huán)境溫度TA為50℃ 時,與10A-IGBT IGP10N60T結(jié)合時, 終二極管的結(jié)溫大約低了4 ℃。還可以看出,IGBT的結(jié)溫也低了4℃。因此,該系統(tǒng)總體上從所選的二極管優(yōu)化方法中獲益。如果達(dá)到與 終二極管一樣的結(jié)溫,可以從逆變器中獲得更高電流,從而獲得更高的功率輸出,如圖8所示。另一方面,在給定輸出電流下,甚至可以削減散熱器尺寸,從而降低驅(qū)動裝置的成本。不管設(shè)計師用哪種方法,系統(tǒng)將實現(xiàn)更高的效率。
圖8 逆變器中一個半橋的輸出有效值電流
結(jié)語
二極管優(yōu)化只考慮正向壓降是不夠的,這必須考慮IGBT技術(shù)以及應(yīng)用條件。在本文中,與TrenchStop-IGBT并聯(lián)的二極管是根據(jù)IGBT技術(shù)與應(yīng)用條件進(jìn)行設(shè)計的。這些二極管芯片尺寸更小,但是能比更大的Vf優(yōu)化型芯片實現(xiàn)更低的結(jié)溫。這使得工程師能夠更多地利用IGBT與二極管。它可以縮小散熱器的尺寸或增加給定系統(tǒng)的輸出功率,削減系統(tǒng)成本。
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