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        二極管選型的15個關鍵要素,你知道幾個?

        2022-11-30

        1

        正向導通壓降


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


        導通壓降:二極管開始導通時對應的電壓。


        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結內電場的阻擋作用,正向電流幾乎為零。當正向電壓大到足以克服PN結電場時,二極管正向導通,電流隨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載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止狀態。反向電壓增大到一定程度后,二極管反向擊穿。


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        正向導通壓降與導通電流的關系


        在二極管兩端加正向偏置電壓時,其內部電場區域變窄,可以有較大的正向擴散電流通過PN結。只有當正向電壓達到某一數值(這一數值稱為“門檻電壓”,鍺管約為0.2V,硅管約為0.6V)以后,二極管才能真正導通。但二極管的導通壓降是恒定不變的嗎?它與正向擴散電流又存在什么樣的關系?通過下圖1的測試電路在常溫下對型號為SM360A的二極管進行導通電流與導通壓降的關系測試,可得到如圖2所示的曲線關系:正向導通壓降與導通電流成正比,其浮動壓差為0.2V。從輕載導通電流到額定導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,盡量選擇導通壓降小、額定工作電流較實際電流高一倍的二極管。


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         圖1 二極管導通壓降測試電路

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        圖2 導通壓降與導通電流關系

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


        表 1 導通壓降與導通電流測試數據

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        圖3 導通壓降與環境溫度關系曲線



        2

        額定電流、最大正向電流IF

        額定電流IF指二極管長期運行時,根據運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1000A。



        是指二極管長期連續工作時,允許通過的最大正向平均電流值,其值與PN結面積及外部散熱條件等有關。因為電流通過管子時會使管芯發熱,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,流過負載電阻的平均整流電流的最大值。折算設計時非常重要的值。


        4

        最大浪涌電流IFSM

        運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值可達幾千伏。


        6

        最大反向電壓VR

        上述最大反向峰值電壓是反復加上的峰值電壓,VR是連續加直流電壓的值。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結的結電容存在,當工作頻率超過某一值時,它的單向導電性將變差。點接觸式二極管的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

        反向恢復時間Trr

        當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。實際上,一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量,就是反向恢復時間。


        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。這個極限參數對穩壓二極管,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,該電流與半導體材料和溫度有關。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(結溫降額)

        降額可以提高產品可靠性,延長使用壽命,根據溫度降低10℃壽命增加一倍的理論,下面列出了不同額定結溫的管子最小降額結溫數據。


        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

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


        13

        可靠性設計

        正確選用器件及器件周邊的線路設計、機械設計和熱設計等來控制器件在整機中的工作條件,防止各種不適當的應力或者操作給器件帶來損傷,從而最大限度地發揮器件的固有可靠性。


        14

        容差設計

        設計單板時,應放寬器件的參數允許變化的范圍(包括制造容差、溫度漂移、時間漂移),以保證器件的參數在一定范圍內變化時,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的晶圓擴散工藝,在晶圓擴散后切片成晶粒,晶粒的邊緣是粗糙的,電性能不穩定,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稱,該產品就是在現有產品普通硅整流擴散片的基礎上對擬分割的管芯P/N結面四周燒制一層玻璃,玻璃與單晶硅有很好的結合特性,使P/N結獲得最佳的保護,免受外界環境的侵擾,提高器件的穩定性,可信賴性極佳。


        O/J的散熱性沒有GPP的好,兩者本質結構截然不同:O/J芯片需要經過酸洗后加銅片焊接配合硅膠封裝,內部結構上顯得比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。內部結構顯的比O/J芯片制造而成的小。才造成直觀的、習慣性的誤解。


        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+面開槽和進行玻璃鈍化,臺面呈負斜角結構(表面電場強度高于體內),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結部分區域(不像GPRC芯片對整個斷面實施玻璃鈍化,而OJ芯片對整個斷面施加硅橡膠保護。


        4、GPP芯片由于機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化學腐蝕去除掉。


        5、GPP芯片采用特殊高溫熔融無機玻璃膜鈍化,Tjm及HTIR穩定性高于用有機硅橡膠保護的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。


        在制作工藝上的區別:


        (1)OJ的芯片必須經過焊接、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,常規封裝形式為插件式。


        (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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