肖特基二极管是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,是肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)的简称。
肖特基二极管原理及结构
和其他的二极管比起来,肖特基二极管有什么特别的呢?
SBD不是运用P型半导体与N型半导体触摸构成PN结原理制作的,而是运用金属与半导体触摸构成的金属-半导体结原理制作的。因而,SBD也称为金属-半导体(触摸)二极管或外表势垒二极管,它是一种热载流子二极管。
典型的肖特基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片,在上面构成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极运用钼或铝等资料制成阻档层。用二氧化硅(SiO2)来消除边际区域的电场,前进管子的耐压值。N型基片具有很小的通态电阻,其掺杂浓度较H-层要高100%倍。在基片下边构成N+阴极层,其作用是减小阴极的触摸电阻。经过调整结构参数,N型基片和阳极金属之间便构成肖特基势垒,如图所示。当在肖特基势垒两头加上正向偏压(阳极金属接电源正极,N型基片接电源负极)时,肖特基势垒层变窄,其内阻变小;反之,若在肖特基势垒两头加上反向偏压时,肖特基势垒层则变宽,其内阻变大。
肖特基整流管仅用一种载流子(电子)运送电荷,在势垒外侧无过剩少量载流子的堆集,因而,不存在电荷贮存问题(Qrr→0),使开关特性获得时显改进。其反向恢复时刻已能缩短到10ns以内。但它的反向耐压值较低,一般不超越去时100V。因而适宜在低压、大电流状况下作业。运用其低压降这特色,能前进低压、大电流整流(或续流)电路的功率。
肖特基二极管的封装
肖特基二极管分为有引线和外表装置(贴片式)两种封装方法。 选用有引线式封装的肖特基二极管一般作为高频大电流整流二极管、续流二极管或维护二极管运用。它有单管式和对管(双二极管)式两种封装方法。肖特基对管又有共阴(两管的负极相连)、共阳(两管的正极相连)和串联(一只二极管的正极接另一只二极管的负极)三种管脚引出方法。
选用外表封装的肖特基二极管有单管型、双管型和三管型等多种封装方法,有A~19种管脚引出方法。
肖特基二极管的优势
SBD的首要长处包含两个方面:
1)因为肖特基势垒高度低于PN结势垒高度,故其正导游通和正向压降都比PN结二极管低(约低0.2V)。
2)因为SBD是一种大都载流子导电器材,不存在少量载流子寿数和反向恢复问题。SBD的反向恢复时刻仅仅肖特基势垒电容的充、放电时刻,彻底不同于PN结二极管的反向恢复时刻。因为SBD的反向恢复电荷十分少,故开关速度十分快,开关损耗也特别小,特别适合于高频运用。
肖特基二极管的缺陷
肖特基二极体最大的缺陷是其反向偏压较低及反向漏电流偏大,像运用硅及金属为资料的肖特基二极管,其反向偏压额外耐压最高只到 50V,而反向漏电流值为正温度特性,简单跟着温度升高而急遽变大,实务规划上需留意其热失控的隐忧。为了防止上述的问题,肖特基二极体实践运用时的反向偏压都会比其额外值小许多。当然,跟着工艺技能和肖特基二极管技能的前进,其反向偏压的额外值也再前进。
肖特基二极管的重要参数
肖特基二极管运用广泛,特别是在开关电源傍边。在不同的运用中,需求考虑不同的要素,并且,不同的器材在性能上也有不同,因而,在选用肖特基二极管时,下面这些参数需求归纳考虑。
1、导通压降VF
VF为二极管正导游通时二极管两头的压降,当经过二极管的电流越大,VF越大;当二极管温度越高时,VF越小。
2、反向饱满漏电流IR
IR指在二极管两头参加反向电压时,流过二极管的电流,肖特基二极管反向漏电流较大,挑选肖特基二极管是尽量挑选IR较小的二极管。
3、额外电流IF
指二极管长时刻运行时,依据答应温升折算出来的均匀电流值。
4. 最大浪涌电流IFSM
答应流过的过量的正向电流。它不是正常电流,而是瞬间电流,这个值相当大。
5.最大反向峰值电压VRM
即便没有反向电流,只需不断地前进反向电压,早晚会使二极管损坏。这种能加上的反向电压,不是瞬时电压,而是重复加上的正反向电压。因给整流器加的是沟通电压,它的最大值是规则的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为防止击穿所能加的最大反向电压。现在肖特基最高的VRM值为150V。
6. 最大直流反向电压VR
上述最大反向峰值电压是重复加上的峰值电压,VR是连续加直流电压时的值。用于直流电路,最大直流反向电压关于承认答应值和上限值是很重要的.
7.最高作业频率fM
因为PN结的结电容存在,当作业频率超越某一值时,它的单导游电性将变差。肖特基二极管的fM值较高,最大可达100GHz。
8.反向恢复时刻Trr
当作业电压从正向电压变成反向电压时,二极管作业的抱负状况是电流能瞬时截止。实践上,一般要推迟一点点时刻。决议电流截止延时的量,便是反向恢复时刻。尽管它直接影响二极管的开关速度,但不必定说这个值小就好。也即当二极管由导通忽然反向时,反向电流由很大衰减到挨近IR时所需求的时刻。大功率开关管作业在高频开关状况时,此项目标至为重要。
9. 最大耗散功率P
二极管中有电流流过,就会吸热,而使本身温度升高。在实践中外部散热状况对P也是影响很大。详细讲便是加在二极管两头的电压乘以流过的电流加上反向恢复损耗。
肖特基二极管在开关电源中的运用
开关电源有高频变压器、高频电容、高反压大功率晶体管、功率整流二极管、操控IC等首要部件组成。次级整流二极管作为耗能部件,损耗大,(约占电源功耗的30%),发热高,它的选用对电源的整机功率和可靠性目标是十分要害的要素,这就要求整流二极管在高速大电流作业状况下应具有正向压降VF小、反向反向漏电IR小、恢复时刻Trr短的特性。
关于低压大电流的高频整流,肖特基二极管是最佳的挑选(这时因为其反向耐压较低),最常用的是作为±5V、±12V、±15V的整流输出管。(如计算机电源的+5V输出大多选用SR3040,+12V输出选用SR1660)再加上肖特基二极管的正向压降VF与结温TJ出现负温度系数,所以用其制作的开关电源功率高,温升低,噪声小,可靠性高。
下面是在详细运用中应留意的问题:
1.肖特基二极管的选型
要依据开关电源所要输出的电压VO、电流IO、散热状况、负载状况、装置要求、所要求的温升等承认所要选用的肖特基二极管品种。
在一般的规划中,咱们要留出必定的余量。比方,VR只用到其额外值的80%以下(特别状况下可操控到50%以下),IF用到其额外值的40%以下。
在单端反激(FLY-BACK)开关电源中,假定一产品:输入电压VIMAX=350VDC,输出电压VO=5V,电流IO=1A。如图所示。
依据计算公式,要求整流二极管的反向电压 VR、正向电流IF满意下面的条件:
VR≥2VI×NS/NP
IF≥2IO/(1-θMAX)
其间:
NS/NP为变压器次、初级匝比
θMAX为最大占空比
假定,NS/NP=1/20,θMAX=0.35
则VR≥2×350/20=35(V)
IF≥2×1/(1-0.35)=3(A)
这样,咱们能够参阅选用SR340或1N5822。若产品为电扇冷却,则管子能够把余量留小一些。TO220、TO3P封装的管子有全包封、半包封之分这要依据详细状况选用。
半包封管子的散热优于全包封的管子,但需留意其散热器和中心管脚相通。
负载若为容性负载,主张IF再留出20%的余量。
留意功率肖特基二极管的散热和装置方法,要搞清楚产品为天然冷却仍是电扇冷却,管子要装置在易通风散热的当地,以前进产品的可靠性。TO-220、TO-3P型的管子与散热器之间要加导热硅脂,使管子与散热器之间触摸杰出。DO-41、DO-201AD封装的管子可采纳立式、卧式、架空等方法装置,这要依据实践状况承认。
2.正确挑选肖特基二极管的RC补偿网络-RC缓冲器
因为高频变压器的漏电感和管子的结电容在截止时构成一个谐振电路,它可导致瞬时过压振动。因而,有必要在电源输出中设置RC缓冲器以维护管子的安全。别的,RC网络还可削减输出噪声,削减管子的热耗,前进产品的功率和可靠性。如上图所示。
缓冲器的挑选原则是,既使缓冲器有用,又能尽量削减损耗。下面是参阅公式。
R=√(Li/Cj)/n
式中:Li为变压器漏电感(μH)
CJ为管子的结电容(PF)
N为原副边匝比(NP/NS)
电容C可任意地从0.01到0.1μF之间取,详细值有试验承认。
如对VO=5V,可选R=5.1Ω,0.5W,C=0.01μF
尽量挑选IR小的肖特基二极管
IR小的管子,热耗小,所以相同状况下,要挑选IR小的管子。
规划PCB时,要使管子及散热器尽量远离电解电容器等对热灵敏的器材。以添加产品的寿数。
焊接管子的焊盘要足够大,焊接可靠,防止因为热应力形成脱焊。
肖特基二极管一旦选用后,要经模拟试验,在产品输入、输出最坏的状况下丈量其温升及作业波形,承认各项目标不要超越其极限参数。