导言

现代动力电子依赖于半导体设备的无缝集成,以实现高效,可靠,紧凑. 动力二极管,最简单的单向开关,往往与晶体管,胸骨和闸门驱动器结合管理电压悬浮,引导电流,和条件波形。 这些二极管在适当集成后并不只是保护;它们积极参与改进转换过渡,减少损失,并促成更高的频率运行。 本条探讨了动力二极管与其他半导体设备集成的基本效益,技术,设计考虑,以及增强电路性能的新趋势.

理解电极:类型和特征

并非所有的动力二极管都是相同的。二极管类型的选择会显著影响集成行为。关键类型包括:

  • Schottky障碍二极管(SBD):低前压降(<0.5 V)和可忽略不计的反向回收电荷使它们对高频切换电路来说是理想的,然而,它们的反向渗漏电流和下分解电压限制应用低于~200 V.
  • PiN(或P-i-N)二极管:[]高压能力(最高可达数千伏)和强力的涌力处理,但因存储电荷而出现显著的逆向回收电流,增加了切换损失.
  • Zener二极管:[ 逆向分解操作,用于压电夹和参考;集成于门驱动器中,以保护敏感的晶体管门.
  • 快速恢复 Epitaxial Diodes (FREDs): 优化软恢复,减少存储电荷,弥合Schottky和PiN之间用于中压,中频应用的空隙.

理解这些特性至关重要,因为集成方法 — — 无论是反平行、系列还是模块内部 — — 必须与二极管的切换速度、热剖面和电压等同。 对于二极管选择的进一步解读,[ Infineon的动力二极管组合[提供了详细的应用说明。

将电极与其他半导体结合的好处

集成不仅仅限于将二极管置于晶体管附近。设计工程师仔细协调两者时,其优点如下:

  • 减少切换损失:[ 二极管在IGBT或MOSFETs的转弯时,尽量减少电压过量和振铃,允许更快切换而不会超过安全操作区(SOA).
  • 增强防压转动:[] 螺旋二极管夹式电阻回扣从马达,变压器,和寄生电阻回扣,保障主开关.
  • 改进的热性能: 带有开关的共装二极管共用热槽并降低热阻,使功率密度提高.
  • 简化门驱动设计:[] 靴形二极管直接融入高侧门驱动器,消除外部组件,减少寄生虫导电.
  • 低EMI:[快速恢复或Schottky二极管减少逆恢复电流的悬崖,这是进行和辐射的EMI的主要来源.

这些好处直接转化为更紧凑、可靠和高效的变电器——从数据中心供电到电动车辆牵引反转器的所有工作都必需。

详细常见的集成技术

并行配置和系列配置

串联二极管提高电压阻隔能力,但静电和动态电压共享必须使用平衡电阻器或 ⁇ 来管理. 并行连接二极管增加电流容量,但如果前置电压下降不匹配,热流运行可能发生;正温系数二极管(如SiC Schottky)是平行运行的理想,在高流整流器中,平行二极管经常与电流共享导电器对接.

与MOSFET和IGBT进行互补对等

最普遍的融合是反平行(或自由轮)二极管跨越一个电源开关. 对于MOSFET来说,可以使用内体二极管,但其缓慢的反向恢复(特别是在高压装置中)会造成交叉导断和损失. 外部Schottky二极管与机体二极管平行——通常称为"boost二极管"——在死时的二极管流线并减少反向恢复损失. IGBT模块中,一个PiN快速恢复二极管被同装在同一模块中进行自由轮流. 设计者还将门与源/源电站之间的Zener二极管结合到夹闸电压并预防过度挥压故障.

集成电源模块和软件包

电源模块,如6个装箱的IGBT或双相MOSFET模块,将二极管和交换器装入一个共同底板(例如DBC直接抵押铜)中。这种集成将环导最小化,改善热管理,降低组装成本。 最近的创新包括[ 断层式死附[和]碳化硅(SiC)模块,将SIC MOSFET与SIC Schottky二极管配对起来,几乎消除了反向恢复损失。关于模块地形的全面概述,参见 TI关于动力模块设计的应用说明。

设计方面的考虑和挑战

寄生虫效应和脑电图

二极管和开关之间的环导在转弯时产生电压振铃。 尽可能将二极管放在晶闸管终端附近,从而将环域最小化。 可能需要微波电路( RCD 或 RC) , 但它们会增加电源损失。 高级集成使用低电源布局, 如开尔文源连接和密布的公交栏。

热管理

二极管和开关都会产生热量. 在同一热汇上合用同一位置会导致相互加热,提高交叉温度. 适当的脱落和热模拟是必要的. 在大功率应用中,可能需要主动冷却(如液循环). 使用热界面材料 , 具有高导电性帮助.

切换频率和反向回收

随着切换频率的增加(例如,在LLC转换器中 > 100 kHz),反向恢复损失成为主流。然后整合必须有利于Schottky或SiC二极管。软恢复行为也减少了振铃和EMI。前置电压下降和回收电荷之间的权衡是一个关键的设计决定。

现代电力电子学中的应用

交换模式供电

在离线飞回转换器中,一个集成输出整流器(diode + MOSFET在同步整流中)会显著提高效率. Boost PFC级在连续使用一个快速二极管,加增振动导管;一个SiC二极管可以将效率提升到98%以上. 二极管和MOSFET之间的协同效应使得高频LLC共振转换器能够进行零压切换(ZVS).

汽车驱动器和反转器

可变速度驱动器的三相反转器依赖于每个IGBT或MOSFET中的反平行二极管. 二极管必须承受与开关相似的减速条件. 现代驱动器使用[] 结合双IGBT模块[ 与内置的NTC热器进行温度感测. 适当的二极管集成防止射击穿透并延长设备寿命.

可再生能源系统

太阳能反转器和风轮机转换器需要高压二极管用于DC-连线夹和自由轮. SIC二极管在MPPT助推级的整合可以减少损失,并允许较小的磁性. 能量存储系统使用双向转换器,二极管和晶体管在其中共同充电和放电.

汽车和电力车辆

EV牵引反转器是最要求的应用:高电压(400–800 V),高电流(数百安培),以及严格可靠性. 高级集成在低导模块中使用SIC MOSFET与SiC Schottky二极管共同包装. 机载充电器使用集成的PFC二极管和同步整流器. 详细案例研究参见[ Vishay关于汽车二极管集成的应用说明.

新出现的趋势和未来方向

向更高效率和功率密度的推进正在驱动单晶体集成——二极管和晶体管共用一个半导体死亡。例如,二极管-综合MOSFET(DIMOS)和具有集成Schottky二极管的GAN电源IC。宽筋膜材料(SiC和GAN)使内在体二极管具有极快的恢复,减少了某些地形对外部二极管的需求。然而,在硬切换应用中,外部平行的Schottky仍然有利于最大限度地减少前导损失。

另一个趋势是 使用高级容器(例如3D集成,PCB嵌入式死)在动力模块中嵌入二极管,这些功能降低了互联导线,提高了热性能. 设计工具现在包含了寄生提取和共模拟,以便在设计阶段早期优化二极管-开关交互.

结论

将动力二极管与其他半导体装置结合已不再是事后思考;而是实现优异电路性能的中央设计策略。 从二极管类型(Schottky, PiN, SiC)的选择到关键环路和热管理布局,每个决定都会影响效率、EMI和可靠性。 随着动力电子向宽波段半导体和更高切换频率的迁移,精心集成二极管的作用变得更加明显。 掌握这些集成技术的工程师们将具备设计下一代紧凑、高效和强力的动力系统的良好设备。