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二極管選型的15個關(guān)鍵要素,你知道幾個?

2022-11-30

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正向?qū)▔航?/strong>


壓降:二極管的電流流過負(fù)載以后相對于同一參考點(diǎn)的電勢(電位)變化稱為電壓降,簡稱壓降。


導(dǎo)通壓降:二極管開始導(dǎo)通時對應(yīng)的電壓。


正向特性:在二極管外加正向電壓時,在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場的阻擋作用,正向電流幾乎為零。當(dāng)正向電壓大到足以克服PN結(jié)電場時,二極管正向?qū)ǎ娏麟S電壓增大而迅速上升。


反向特性:外加反向電壓不超過一定范圍時,通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。反向電壓增大到一定程度后,二極管反向擊穿。


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正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流的關(guān)系


在二極管兩端加正向偏置電壓時,其內(nèi)部電場區(qū)域變窄,可以有較大的正向擴(kuò)散電流通過PN結(jié)。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門檻電壓”,鍺管約為0.2V,硅管約為0.6V)以后,二極管才能真正導(dǎo)通。但二極管的導(dǎo)通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴(kuò)散電流又存在什么樣的關(guān)系?通過下圖1的測試電路在常溫下對型號為SM360A的二極管進(jìn)行導(dǎo)通電流與導(dǎo)通壓降的關(guān)系測試,可得到如圖2所示的曲線關(guān)系:正向?qū)▔航蹬c導(dǎo)通電流成正比,其浮動壓差為0.2V。從輕載導(dǎo)通電流到額定導(dǎo)通電流的壓差雖僅為0.2V,但對于功率二極管來說它不僅影響效率也影響二極管的溫升,所以在價格條件允許下,盡量選擇導(dǎo)通壓降小、額定工作電流較實(shí)際電流高一倍的二極管。


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 圖1 二極管導(dǎo)通壓降測試電路

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圖2 導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流關(guān)系

在我們開發(fā)產(chǎn)品的過程中,高低溫環(huán)境對電子元器件的影響才是產(chǎn)品穩(wěn)定工作的最大障礙。環(huán)境溫度對絕大部分電子元器件的影響無疑是巨大的,二極管當(dāng)然也不例外,在高低溫環(huán)境下通過對SM360A的實(shí)測數(shù)據(jù)表1與圖3的關(guān)系曲線可知道:二極管的導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度成反比。在環(huán)境溫度為-45℃時雖導(dǎo)通壓降最大,卻不影響二極管的穩(wěn)定性,但在環(huán)境溫度為75℃時,外殼溫度卻已超過了數(shù)據(jù)手冊給出的125℃,則該二極管在75℃時就必須降額使用。這也是為什么開關(guān)電源在某一個高溫點(diǎn)需要降額使用的因素之一。


表 1 導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流測試數(shù)據(jù)

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圖3 導(dǎo)通壓降與環(huán)境溫度關(guān)系曲線



2

額定電流、最大正向電流IF

額定電流IF指二極管長期運(yùn)行時,根據(jù)運(yùn)行溫升折算出來的平均電流值。目前最大功率整流二極管的IF值可達(dá)1000A。



是指二極管長期連續(xù)工作時,允許通過的最大正向平均電流值,其值與PN結(jié)面積及外部散熱條件等有關(guān)。因?yàn)殡娏魍ㄟ^管子時會使管芯發(fā)熱,溫度上升,溫度超過容許限度(硅管為141左右,鍺管為90左右)時,就會使管芯過熱而損壞。所以在規(guī)定散熱條件下,二極管使用中不要超過二極管最大整流電流值。例如,常用的IN4001-4007型鍺二極管的額定正向工作電流為1A。


3

最大平均整流電流Io

最大平均整流電流IO:在半波整流電路中,流過負(fù)載電阻的平均整流電流的最大值。折算設(shè)計(jì)時非常重要的值。


4

最大浪涌電流IFSM

運(yùn)行流過的過量的正向電流。不是正常的電流,而是瞬間電流,這個值相當(dāng)大。


5

最大反向峰值電壓VRM

即使沒有反向電流,只要不斷地提高反向電壓,遲早會使二極管損壞。這種能加上的反向電壓,不是瞬時電壓,而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓,它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前最高的VRM值可達(dá)幾千伏。


6

最大反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓,VR是連續(xù)加直流電壓的值。用于直流電流,最大直流反向電壓對于確定允許值和上限值是很重要的。


7

最高工作頻率fM

由于PN結(jié)的結(jié)電容存在,當(dāng)工作頻率超過某一值時,它的單向?qū)щ娦詫⒆儾睢|c(diǎn)接觸式二極管的fM值較高,在100MHz以上;整流二極管的fM較低,一般不高于幾千Hz。


8

反向恢復(fù)時間Trr

當(dāng)正向工作電壓從正向電壓變成反向電壓時,二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實(shí)際上,一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時間。決定電流截止延時的量,就是反向恢復(fù)時間。


9

最大功率P

二極管中有電流流過,就會吸熱,而使自身溫度升高。最大功率P為功率的最大值。具體講就是加載二極管兩端的電壓乘以流過的電流。這個極限參數(shù)對穩(wěn)壓二極管,可變電阻二極管顯得特別重要。


10

反向飽和漏電流IR

指在二極管兩端加入反向電壓時,流過二極管的電流,該電流與半導(dǎo)體材料和溫度有關(guān)。在常溫下,硅管的IR為nA(10-9A)級,鍺管的IR為mA(10-6A)級


11

降額(結(jié)溫降額)

降額可以提高產(chǎn)品可靠性,延長使用壽命,根據(jù)溫度降低10℃壽命增加一倍的理論,下面列出了不同額定結(jié)溫的管子最小降額結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。


表1  二極管降額

額定值TjM

125℃

150℃

175℃

200℃

降額后可使用的TjM

110℃

135℃

160℃

185℃


12

安規(guī)

在選型階段應(yīng)該考慮到器件是否通過了安規(guī)認(rèn)證,主要應(yīng)該考慮功率器件。一般為各國廣泛接受的安規(guī)認(rèn)證類型有UL(北美)、CSA(加拿大)、TUV(德國)、VDE等


13

可靠性設(shè)計(jì)

正確選用器件及器件周邊的線路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等來控制器件在整機(jī)中的工作條件,防止各種不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力或者操作給器件帶來損傷,從而最大限度地發(fā)揮器件的固有可靠性。


14

容差設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單板時,應(yīng)放寬器件的參數(shù)允許變化的范圍(包括制造容差、溫度漂移、時間漂移),以保證器件的參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時,單板能正常工作。


15

禁止選用封裝

禁止選用軸向插裝的二極管封裝、禁止選用Open-junction二極管。


O/J是OPEN JUNCTION的晶圓擴(kuò)散工藝,在晶圓擴(kuò)散后切片成晶粒,晶粒的邊緣是粗糙的,電性能不穩(wěn)定,需要用混合酸(主要成分為氫氟酸)洗掉邊緣,然后包以硅膠并封裝成型,可信賴性較差。


GPP是Glassivation passivation parts的縮寫,是玻璃鈍化類器件的統(tǒng)稱,該產(chǎn)品就是在現(xiàn)有產(chǎn)品普通硅整流擴(kuò)散片的基礎(chǔ)上對擬分割的管芯P/N結(jié)面四周燒制一層玻璃,玻璃與單晶硅有很好的結(jié)合特性,使P/N結(jié)獲得最佳的保護(hù),免受外界環(huán)境的侵?jǐn)_,提高器件的穩(wěn)定性,可信賴性極佳。


O/J的散熱性沒有GPP的好,兩者本質(zhì)結(jié)構(gòu)截然不同:O/J芯片需要經(jīng)過酸洗后加銅片焊接配合硅膠封裝,內(nèi)部結(jié)構(gòu)上顯得比GPP的大;GPP芯片造的整流橋免去了酸洗、上硅膠等步驟,直接與整流橋的銅連接片焊接。內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯的比O/J芯片制造而成的小。才造成直觀的、習(xí)慣性的誤解。


GPP芯片和OJ芯片的綜合評價:


1、GPP芯片在wafer階段即完成玻璃鈍化,并可實(shí)施VR的probe testing,而OJ芯片只有在制得成品后測試VR。


2、VRM為1000V的GPP芯片,通常從P+面開槽和進(jìn)行玻璃鈍化,臺面呈負(fù)斜角結(jié)構(gòu)(表面電場強(qiáng)度高于體內(nèi)),而OJ芯片的切割不存在斜角。 


3、GPP芯片的玻璃鈍化分布在pn結(jié)部分區(qū)域(不像GPRC芯片對整個斷面實(shí)施玻璃鈍化,而OJ芯片對整個斷面施加硅橡膠保護(hù)。


4、GPP芯片由于機(jī)械切割的原因留下切割損傷層,而OJ芯片的切割損傷層可經(jīng)化學(xué)腐蝕去除掉。


5、GPP芯片采用特殊高溫熔融無機(jī)玻璃膜鈍化,Tjm及HTIR穩(wěn)定性高于用有機(jī)硅橡膠保護(hù)的OJ制品。 


6、GPP芯片適合小型化、薄型化、LLP封裝,而OJ芯片適合引出線封裝。


在制作工藝上的區(qū)別:


(1)OJ的芯片必須經(jīng)過焊接、酸洗、鈍化、上白膠、成型固化烘烤等步驟,其電性(反向電壓)與封裝酸洗工藝密切相關(guān),常規(guī)封裝形式為插件式。


(2)而GPP在芯片片制造工藝中已包含酸洗、鈍化。其電性由芯片片直接決定,常見封狀形式為貼片式。




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