开关电源 输出整流二级管

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。

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tt0时，正向电流I=IF。当tt0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

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

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

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)

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