输出整流管的选择 admin 18/09/08
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