导言
反并联二极管的正确规划需求考虑各种要素。其间一些与自身技能相关，其它的与运用相关。可是，正向压降Vf 、反向恢复电荷Qrr 以及Rth与Zth散热才能终究将构成一种三角联系。
因为在当时的二极管技能条件下，二极管芯片自身的尺度现已被减少至很小，所以二极管规划师再次将目光投向电气功能（疏忽本钱要素）。本文将聚集驱动运用中的二极管，进行利害剖析与考虑。关于一切运用来说，所考虑的基本点是相同的：应该运用静态损耗较低的二极管，仍是考虑整个体系（包含IGBT）功能而运用静态损耗稍高但开关损耗较低的二极管。
二极管优化
二极管的反向恢复电荷Qrr与正向压降Vf的联系曲线能够表示出二极管的特性。这意味着，原则上该曲线上的每一个点都能完成，如图1所示。因而，能够规划出低Qrr、高Vf的二极管，或许低Vf、高Qrr的二极管。该曲线能够经过改动电流密度或寿数按捺完成。
图 1 二极管的Qrr-Vf联系曲线
一般来说，芯片尺度越大，因为电流密度下降，正向压降Vf也会下降，这有助于改善芯片的散热才能，但一起开关损耗添加，本钱也会有所进步。
关于给定的电流密度和芯片尺度而言，经过部分（例如氦离子照耀）或全体（电子照耀或带有再结合中心的掺杂，如金或铂）办法减少载流子寿数有着类似的效果。缩短载流子寿数可减少器材中的堆集电荷Qrr，但下降了导通功能，进步了正向压降Vf；延伸载流子寿数能下降正向压降Vf，但开关损耗增高。大多数有用二极管选用一种或多种寿数操控办法，但整流二极管在外。整流二极管频率十分低并且对导通损耗要求很高，因而并不总是需求减少载流子寿数。
图2 取决于芯片尺度的热阻
关于本文评论的二极管技能而言，改动电流密度或芯片尺度都能导致十分类似的曲线。本文挑选了改动电流密度并进行了相关核算。这种办法意味着更小尺度的二极管芯片，然后完成单片晶圆更高的芯片产值，然后减少芯片的单位价格。
另一方面，更小的芯片有着更高的结对壳热阻RthJC，因而首要想到的是需求更大的散热器。但这一定论下得为时过早。
芯片尺度与热阻RthJC之间的联系如图2所示。能够看出双曲线值近似由圆片贴装、芯片自身以及导线框的焊接厚度所决议。
可是，为了得出终究点评，有必要更深化地了解总损耗以及IGBT与二极管的损耗分配。
图3 从二极管到IGBT的整流进程
对整流进程的剖析显现，二极管的反向恢复电荷发生的电流不只加在二极管自身，并且还流过被整流的IGBT，如图3所示。集电极波形中的暗影部分代表二极管的反向恢复特性以及寄生输出电容放电发生的额外电荷。但输出电容部分一般能够疏忽，因为IGBT电容十分小，因而，可假定该区域是完全由反向恢复构成的。能够看出，首要，当IGBT电压还处于高电平时，反向恢复电流现已开端活动。其次，二极管电流拖尾100ns左右。很显着，二极管的反向恢复功能关于IGBT中的开关损耗有着十分重要的效果。
调查功率损耗的散布状况可知，首要功率损耗一般来自IGBT，因而IGBT会构成二极管芯片的发热。假如二极管自身有更高的损耗，在二极管自身的发热比IGBT的损耗发热更高时，这种状况才会发生改动。从产品视点来说，进步二极管的温度是有利的，这样能够下降全体损耗以及IGBT结温。在额外条件下，当IGBT结温等于二极管结温时，可完成最佳损耗散布。
这意味着，虽然优化型二极管或许因为更小的芯片尺度而取得更高的RthJC，但这不影响IGBT与二极管结合的功能，因为全体功耗下降了。与EmCon2技能比较，选用EmCon3技能的全新反并联二极管具有较高的正向压降、改善的反向恢复特性以及更低的开关损耗。
图4 二极管优化的损耗平衡（RthHS = 4.2 K/W，TA = 50℃， cosΦ= 0.7）
该定论与大多数人的了解——用于驱动运用的二极管有必要针对低导通损耗进行优化－相对立。特别是在家电驱动中，如变频洗衣机，低开关损耗相同至关重要。因为在那些运用中，开关频率能够到达15 kHz或更高。在这种状况下，开关损耗将构成驱动中全体损耗的很大一部分，绝不能被忽视。这种优化为多种运用打开了大门——不只在驱动商场，还有所谓的“高速”范畴。
图5 TrenchStop-IGBT选用Vf优化型二极管（左条形图）以及选用终究规划二极管（右条形图）时的开关损耗
EMCON3与EMCON2技能的基准
两种带二极管的IGBT的单位安培功率损耗平衡状况如图4所示。左条形图显现的是最新推出的EmCon3技能与TrenchStop-IGBT（IGBT3技能）结合的成果。如上所述， EmCon3技能是针对更低开关损耗以及稍高正向压降进行优化的。右条形图显现的是EmCon2技能与TrenchStop-IGBT结合的成果。本基准中运用的EmCon2二极管是英飞凌Fast-IGBT系列中的反并联二极管。该二极管针对低正向压降进行了优化。在图4中运用的是IGP10N60T， 热阻RthHS =4.2 K/W的散热器， 环境温度TA = 50℃， 使结温升高至125℃左右。开关频率fP为16 kHz，证明了IGP10N60T和EmCon3技能结合的功能。从图5中能够看出，正如预期的那样，IGBT导通损耗底子不受二极管影响。Vf优化型二极管的Qrr进步对IGBT的动态损耗PvsI和二极管的动态损耗PvsD有很大影响。两种影响合在一起：二极管自身动态损耗的进步及其对IGBT的影响，逾越了Vf优化型二极管导通期间的优势。该特性在开关频率为5 kHz 左右时现已十分显着，开关频率越高影响越大。
图6 用于温度核算的热等效电路
当然，针对详细硬件电路规划确认损耗平衡的各个部分并非易事。一般，工程师在外壳或导线框上丈量温度。两个二极管的热阻RthJC被认为是相同的。结合体系的热等效电路如图6所示。稳定环境温度构成一起的外壳温度TC，该温度由散热器热阻以及IGBT和二极管的损耗总量决议。因而，二极管和IGBT不同的结对壳热阻RthJCD 和RthJCI可导致不同的结温TJD和 TJI。
两种结合体系构成的结温如图7所示。结温挨近125°C，与IGP10N60T和Vf优化型EmCon2二极管结合比较，IGP10N60T与Qrr优化型EmCon3二极管结合完成了更低的结温。在左边条形图中，二极管和IGBT的温度要低4K，IGBT的功率损耗低0.7 W ，二极管低0.2 W。因为IGBT的RthJC更低，IGBT更大的损耗减小对结温的影响比二极管相对更少的损耗减小发生的影响要小。因而温度差是相同的。
图7 两种结合体系构成的结温
当然，损耗下降也被较小的RthJC献身了一部分。可是核算显现，在环境温度TA为50℃ 时，与10A-IGBT IGP10N60T结合时，终究二极管的结温大约低了4 ℃。还能够看出，IGBT的结温也低了4℃。因而，该体系全体上从所选的二极管优化办法中获益。假如到达与终究二极管相同的结温，能够从逆变器中取得更高电流，然后取得更高的功率输出，如图8所示。另一方面，在给定输出电流下，乃至能够减少散热器尺度，然后下降驱动设备的本钱。不论规划师用哪种办法，体系将完成更高的功率。
图8 逆变器中一个半桥的输出有效值电流
结语
二极管优化只考虑正向压降是不行的，这有必要考虑IGBT技能以及运用条件。在本文中，与TrenchStop-IGBT并联的二极管是依据IGBT技能与运用条件进行规划的。这些二极管芯片尺度更小，可是能比更大的Vf优化型芯片完成更低的结温。这使得工程师能够更多地使用IGBT与二极管。它能够缩小散热器的尺度或添加给定体系的输出功率，减少体系本钱。
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