在Duopack以及類似器件（IGBT和二極管在一個封裝）中，反并聯二極管的設計影響著帶二極管IGBT的成本和性能。二極管尺寸越小，開關損耗和成本越低。但是，二極管熱阻RthJC變大，導通損耗也增加。因此，有著不同熱阻Rth的二極管和IGBT的功率損耗平衡是確定二極管正確尺寸的重要途徑。本文將探討反并聯二極管設計的主要問題，并通過例子（1kW驅動裝置）闡述損耗平衡與結溫估算。

1.簡介

反并聯二極管的正確設計需要考慮各種因素。其中一些與自身技術相關，其它的與應用相關。但是，正向壓降Vf、反向恢復電荷Qrr以及Rth與Zth散熱能力最終將構成一種“三角”關系。

由于在當前的二極管技術條件下，二極管芯片本身的尺寸已經被削減至很小，所以二極管設計師再次將目光投向電氣性能（忽略成本因素）。本文將聚焦驅動應用中的二極管，進行利弊分析與思考。但是，對于所有應用來說，所考慮的基本面是一樣的：使用絕對低靜態損耗的二極管好，還是考慮整個系統（包括IGBT）性能而使用稍高靜態損耗以及更低開關損耗的二極管好？

2. 二極管優化

二極管的反向恢復電荷Qrr與正向壓降Vf的優化曲線展示了某種二極管芯片技術的特性。這意味著，原則上該曲線上的每一個點都能實現。因此，可以設計出低Qrr但Vf較高的二極管或者低Vf、高Qrr的二極管。優化曲線可以通過改變電流密度或壽命抑制實現。

一般而言，芯片尺寸越大，正向壓降Vf越低（因為電流密度降低了），這也將有助于改善芯片的散熱能力，這是優點，但同時開關損耗增加，成本也會有所提高。

對于給定電流密度和芯片尺寸而言，通過局部（例如氦離子照射）或整體（電子照射或帶有再結合中心的摻雜，如金或鉑）方法削減載流子壽命有著相似的作用：縮短載流子壽命可削減器件中的積累電荷Qrr，但降低了導通性能,提高了正向壓降Vf；延長載流子壽命能降低正向壓降Vf，但開關損耗增高。大多數實用二極管采用一種或多種壽命控制方法，但整流二極管除外。整流二極管頻率非常低并且對導通損耗要求很高，因此削減載流子壽命并非必不可少。

對于本文討論的二極管技術而言，兩種辦法——改變電流密度或芯片尺寸都能導致非常相似的曲線。本文選擇了改變電流密度并進行了相關計算。這種方法意味著更小尺寸的二極管芯片，從而實現單片晶圓更高的芯片產量，從而削減芯片的單位價格。

另一方面，更小的芯片有著更高的結對殼熱阻RthJC，因此首先想到的是需要更大的散熱器。但這一結論下得為時過早。

對續流過程的分析顯示，二極管的反向恢復電荷產生的電流不僅加在二極管本身，而且還流過被續流的IGBT。集電極波形中的陰影部分代表二極管的反向恢復特性以及寄生輸出電容放電產生的額外電荷。但輸出電容部分通�？梢院雎裕驗镮GBT電容非常小,因此，我們可假設該區域是完全由反向恢復造成的。可以看出，首先，當IGBT電壓還處于高電平時，反向恢復電流已經開始流動。其次，二極管電流拖尾100ns左右。很明顯，二極管的反向恢復性能對于IGBT中的開關損耗有著非常重要的作用。

觀察功率損耗的分布情況可知，主要功率損耗通常來自IGBT，因此IGBT的發熱會對二極管芯片造成影響。如果二極管本身有更高的損耗，在二極管自身的發熱比IGBT的損耗發熱更高時，這種情況才會發生改變。從產品角度來說，提高二極管的溫度是有利的，這樣可以降低總體損耗以及IGBT結溫。在額定條件下，當IGBT結溫等于二極管結溫時，可實現最佳損耗分布。

這意味著，盡管優化型二極管可能因為更小的芯片尺寸而獲得更高的RthJC，但這不影響IGBT與二極管并聯的性能，因為總體功耗降低了。與EmCon2技術相比，采用EmCon3技術的全新反并聯二極管具有較高的正向壓降、改進的反向恢復特性以及更低的開關損耗。

該結論與大多數人的理解——用于驅動應用的二極管必須進行針對低導通損耗進行優化，相矛盾。特別是在家電驅動中，如變頻洗衣機，低開關損耗同樣至關重要。因為在那些應用中，開關頻率可以達到15kHz或更高。在這種情況下，開關損耗將構成驅動中整體損耗的很大一部分，絕不能被忽視。這種優化為多種應用打開了大門——不僅在驅動市場，還有所謂的“高速”領域。

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