快速恢复二极管打火问题的优化设计-电子技术方案|电路图讲解
快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短的半导体二极管。对于高压工作的FRD来说，平面工艺不可避免的存在着结面弯曲效应而影响击穿电压，使得器件实际击穿电压只有理想情况的10%-30%。因此为了保证FRD能工作在高电压下，就需要使用结终端技术来消除结面弯曲带来的影响，提高FRD器件的耐压。在提高耐压采用终端技术的同时，还要兼顾到其它特性的影响和优化。如本文后面将要提到的，在采用金属场板终端提高耐压的同时，还要防止圆片打火问题的发生。
1场限环的基本结构
图1：场限环结构示意图
图2：多个场限环结构示意图
场限环的基本结构见图1，图2.。就是在被保护的主结周围间隔一定距离，扩散形成一定大小的同心环。扩散环改变了主结边缘空间电荷分布，减轻了电场集中效应。提高了耐压。单环的作用有限，一般在高压下需要通过多个环来达到预定的电压。
2 场板的基本结构分析
图3：场板结构示意图
场板的基本结构见图3，也是常用的提高耐压的方法之一。场板下除边缘部分外，电场分布是一维的，类似于MOS电容。击穿时的击穿电压为击穿时半导体的电压和氧化层的压降之和。在场版的边缘，电力线集中。如果场板长度比内部耗尽层还大，N+P结的场板有电力线从板向半导体发出，在半导体表面有电力线进入，这等效于半导体表面有正电荷，他对电场的影响可看做是无穷大的半导体中间增加了一层电荷，这些正电荷产生垂直于表面的场外，也将产生平行于表面的场，每一正电荷在其左边产生指向左的场，在其右边产生指向右的场。所以在场版下面的多数区域，正电荷产生的横向电场是互相削弱。然而在场板的边缘，所有正电荷产生的横向场是互相加强的，结果在那里造成一个横向场的峰值。如果场板很短或者无场板时，在PN结的边缘就有很强的电场，场板上所有正电荷都是使这点电场减少的，因此场板愈长，电场峰值愈小。
3 气隙的击穿特性
我们知道，影响空气间隙放电电压的因素有很多。主要有电场的情况，比如均匀与不均匀;电压的形式，比如直流，交流还是雷电冲击;大气的条件，比如温度，湿度，气压等。较均匀电场气隙的击穿电压与电压极性无关，直流，工频击穿电压(峰值)以及50%冲击击穿电压都相同，分散性很小。
当S不过于小时(S>1cm)， 均匀空气中的电场强度大致等于30KV/cm。稍不均匀的电场气隙的击穿电压，可以看作球与球之间，球与板之间，圆柱与棒之间，同轴圆柱的间隙之间的击穿。它的特点是不能形成稳定的电晕放电，电场不对称时，有极性效应，不很明显，直流，工频下的击穿电压以及50%冲击击穿电压相同，分散性不大，击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高。直流电压下的击穿电压具有极性效应，棒棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒板电极之间，平均击穿场强正棒和负板间约4.5KV/cm，负棒和正板间约10KV/cm，棒和棒之间约4.8-5KV/cm。击穿电压与间隙距离接近正比，在一定范围内，击穿电压与间隙距离呈线性关系。球与球间隙之间存在邻近效应，对电场会有畸变作用，使间隙电场分布不对称，同一距离下，球直径越大，击穿电压也越高。
图4 击穿电压与间隙距离的关系
4 实验过程
4.1失效现象与分析
FRD在开发过程中工程批流片出来后测试击穿电压，当电压加到几百伏时，可开始看到有严重的打火现象，测试打火曲线如图5，打火发生后，圆片上可看到终端外围两个金属铝条有明显发黑的迹象，如图6。
图5 FRD 圆片击穿电压测试曲线
图6 FRD 圆片打火位置图片
其中距离cell区较近的金属是终端的一个金属场板，在最外围的一个是截止环的金属。从失效现象来看，打火应该是最外围的两个金属之间进行的。工艺上，当初为了节省成本，金属完成后没有加钝化层次，因此两个金属之间是没有氧化等介质的。检查版上数据，金属场板到截止环金属之间距离为72um，怀疑可能此距离太小，又没有介质，因此导致金属之间电场过强，引起打火，为了验证，特对原结构进行了模拟。
4.2原结构模拟结果
如图7所示原始结构进行模拟，结果击穿电压约1500V,最外围的金属场板与最外围截止环金属之间电势差约800V，最外围场板承担了较大的电压，从表面电场分布看，最外围金属场板处表面电场最强，约2.6E5V/cm，前面其它环的电场基本在1.6E5V/cm左右，金属场板处电场较集中。而空气的击穿场强约为30KV/cm，金属场环和截止环之间距离为72um，空气耐压约220V，据此推断失效的原因应该是金属之间距离较近，电压较大引起空气击穿，从而发生打火现象。
图7：FRD 原版结构
图8 FRD原版模拟结果电势分布图
图9 FRD原版模拟结果表面电场分布图
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瞬态电压抑制器是一种二极管形式的高效能保护器件，具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当TVS的两端受到反向瞬态过压脉冲时，能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，并将电压箝制在预定数值，从而有效保护电路中的元器件免受损坏。本文讲述了TVS器件的主要特性参数和选用注意事项，同时给出了TVS在电路设计中的应用方法。
1 TVS器件的特性及主要参数
1.1 TVS的器件特性
在规定的反向应用条件下，TVS对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时，TVS就会提供一个低阻抗的路径，并通过大电流方式使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管，同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS的箝制电压。当过压条件消失后，TVS又恢复到高阻抗状态。与陶瓷电容相比，TVS可以承受15 kV的电压，但陶瓷电容对高压的承受能力比较弱。5 kV的冲击就会造成约10％陶瓷电容失效，而到10 kV时，其损坏率将高达到60％。
1.2 TVS器件的主要参数
（1）最小击穿电压VBR
当TVS流过规定的电流时，TVS两端的电压称为最小击穿电压，在此区域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃时，低于这个电压，TVS是不会发生雪崩击穿的。
（2）额定反向关断电压VWM
VWM是TVS在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。但它又需要尽量与被保护电路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个电路面对过压威胁。按TVS的VBR与标准值的离散度，可把VBR分为5％和10％两种，对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR腿；而对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。
（3）最大峰值脉冲电流IPP
Ipp是TVS在反向状态工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。
（4）箝位电压Vc
当脉冲峰值电流Ipp流过TVS时，其两端出现的最大电压值称为箝位电压Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc与VBR之比称为箝位因子（系数），其值一般在1.2～1.4之间。实际使用时，应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压，否则被保护器件将面临被损坏的可能。
（5）最大峰值脉冲功耗PM
PM通常是最大峰值脉冲电流Ipp与箝位电压Vc的乘积，也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大钳位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不可重复施加的。
（6）电容量C
TVS的电容是由其硅片的截面积和偏置电压来决定的，它是在1 MHz特定频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大，将使信号衰减。因此，电容C是数据接口电路选用TVS的重要参数。
（7）漏电流IR
IR是最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管的漏电流。当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流IR一个重要参数。
2选用TVS的注意事项
在选用TVS时，根据电路的具体情况，一般应考虑以下几个主要因素：
首先，由于双向TVS可以在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平。因此，若电路有可能承受来自两个方向的浪涌电压冲击时，应当选用双向TVS。双向TVS一般适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。另外，箝位电压Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压。
其次，就是最大峰值脉冲功耗PM必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。但是，在实际应用过程中，浪涌有可能重复地出现，在这种情况下，即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多，但是，如果重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，也可能在某些情况下超过TVS器件所能承受的脉冲能量。因此，在电路设计时，必须在这点上认真考虑并选用合适的TVS器件，以使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至于超过TVS器件的脉冲能量额定值。
第三，在实际应用过程中，对最大反向工作电压必须有正确的选取，一般原则是以交流电压的1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1～1.2倍来选取TVS管的最高反向工作电压。
3 TVS在电路设计中的典型应用
在实际的应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS在线路板上与被保护线路并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TNS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS被引开，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。以下是TVS在电路应用中的几个典型实例。
3.1 TVS在交流电路中的应用
图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。
3.2用TVS保护直流稳压电源
图2是一个直流稳压电源，在其稳压输出端加上TVS，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压，从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。
3.3用TVS保护晶体管电路
各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，特别是晶体管集电极有感性（线圈、变压器、电动机）负载时，通常会产生高压反电势，因而可能使晶体管损坏。在实际应用中，建议采用TVS作为保护器件。图3所示为TVS保护晶体管的四种电路实例。
3.4集成电路的保护
由于现代IC的集成度越来越高，而其耐压则越来越低，因而很容易受到瞬变电压的冲击而损坏，故须采取保护措施。通常在CMOS电路的输入端及输出端都有保护网路，为了可靠起见，在各整机对外接口处也增加了各种保护网络。图4给出了用TVS对TTL及CMOS器件进行保护的有关电路措施。
3.5用TVS保护集成运放
集成运放对外界电应力非常敏感。因此，在使用运放的过程中，如果因操作失误或采取了不正常的工作条件，往往会出现过大的电压或电流，特别是浪涌和静电脉冲，从而很容易使运放受损或失效。图5所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。
4结束语
本文主要讲述了TVS器件的特性和主要参数，以及选用器件时的注意事项，同时给出了器件在电路设计中的典型应用电路，以便加深电路设计人员对TVS的认识，为设计出高可靠性的应用电路提供基础。虽然目前的TVS在国内的应用正处于推广阶段，但我们有理由相信，随着越来越多的设计者对TVS的认识不断加深以及TVS所表现出来的优异性能，TVS器件最终将获得极为广泛的应用。
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