開關電源的關鍵元件·SBD肖特基二極體

開關電源的關鍵元件·SBD肖特基二極管

肖特基勢壘二極管簡稱肖特基二極管肖特基管

英文全稱:Schottky Barrier Diode

英文縮寫:SBD

肖特基二極管,屬於大電流、低功耗、低壓、超高速半導體功率器件。它的正向導通壓降僅為0.4V左右,反向恢復時間極短,可小至幾納秒;其整流電流可高達幾百至幾千安培。這些優良性能是快恢復及超快恢復二極管所不具備的。

肖特基二極管的工作原理

肖特基二極管是用鉬、金、銀等貴金屬為陽極,用N型半導體材料為陰極,利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性,從而製成的一種金屬/半導體器件。

肖特基二極管屬於五層器件,中間層以N型半導體為基片,上面用砷作摻雜劑的N-外延層,最上面用金屬材料鉬構成的陽極。

N型基片具備很小的導通電阻,在基片下面依次是N+陰極層、金屬陰極。

如下圖所示:典型的肖特基二極管的內部結構

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典型的肖特基二極管的內部結構

近年,採用硅平面工藝製造的鋁硅肖特基二極管,不僅改善了器件參數的一致性、還能節省貴金屬,減少環境汙染。

通過調整結構和參數,能在基片與陽極金屬之間形成合適的肖特基墊壘。

當加上正偏壓E時,勢壘寬度W0變窄;加負偏壓-E時,勢壘寬度W0變寬,如下圖所示:

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外加偏壓時勢壘寬度的變化情況

肖特基二極管僅僅只用一種載流子(電子)輸送電荷,然而在勢壘的外側無過剩的少數載流子積累,所以它不存在電荷儲存效應,這個特性使得開關特性得到明顯改善,反向恢復時間能縮短到10ns以內。但是存在一個缺陷,反向耐壓較低,一般不超過100V,使得它僅適宜在低電壓、大電流下工作。它的低正向壓降特性,能提高大電流整流(或續流)電路的效率。

肖特基二極管的典型伏安特性如下圖所示:

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肖特基二極管的典型伏安特性

如圖所示,正向導通電壓介於鍺管與硅管之間,但它的構造原理與PN結二極管有本質區別。

下表列出了, 肖特基二極管、超快恢復二極管、快恢復二極管、高頻硅整流管的性能比較:

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通過測量二極管正向壓降,能容易區分是肖特基二極管還是超快恢復二極管。

通常利用數字萬用表的二極管檔測量二極管的UF值,當UF≈0.3V時是肖特基二極管,UF≈0.55~0.6V時是超快恢復二極管。測量值偏小的原因,是因為二極管檔的測試電流較小(一般為1mA)。

肖特基二極管的選取原則

開關電源的輸出整流管適宜採用肖特基二極管,因為它的低壓降大電流特性,有利於提高電源效率。

肖特基二極管的反向峰值電壓,應選取大於等於最大反向峰值電壓的2倍。

最大反向峰值電壓=輸出電壓+(次級匝數/初級匝數*直流輸入電壓最大值)

肖特基二極管的平均整流電流,應選取大於等於最大連續輸出電流的3倍。

舉個栗子:

某開關電源的輸出電壓Uo=12V,最大連續輸出電流Iom=5A,最大輸出功率Pom=60W。

已知:高頻變壓器,初級匝數Np=54匝,次級匝數Ns=5匝,直流輸入電壓最大值UImax=375V(對應的交流輸入最大電壓為265V)。

可算出,最大反向峰值電壓=12+(5/54*375)=46.7V

得出:

肖特基二極管的反向峰值電壓=2*46.7=93.4V

肖特基二極管的平均整流電流=3*5=15A

結論:

此時可選擇Motorola公司生產的MBR20100型肖特基二極管可以滿足要求,它的反向峰值電壓=100V,平均整流電流=20A,反向恢復時間<10ns。

【需要特別指出】

肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過100V,只適合作低壓、大電流整流用。當Uo≥30V時,須用耐壓100V以上的超快恢復二極管來代替肖特基二極管,不過電源效率會略有下降。

肖特基二極管的常用型號與參數

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