【应用】电气系统中瞬态峰值功率对二极管的影响
众所周知，当二极管结内的功率消耗过多时，其结温（TJ）升高。 当TJ超过临界极限时，二极管将遭受不可逆转的损坏。所有的二极管都具有其最高工作温度（TJ）、最大热阻（Θ）和最大功耗（PD），在运行过程中，尽管它们工作在最大额定值范围内，但仍会出现二极管故障。由于可能在瞬态出现异常高的电流和电压尖峰，从而要求二极管必须能够承受的高峰值功率（Ppk）。本文从瞬态峰值功率角度讨论二极管的热稳定性，其中用到的实验二极管皆来自central半导体公司。
所有电气系统在输入电源打开或关闭后的瞬态，会出现高电流和电压尖峰，从而导致电子元件产生峰值功率和热应力。像晶体管和二极管这样的半导体必须能够承受这种应力，否则它们的特性会受到影响，最终导致器件失效。
二极管结热响应
当二极管工作时，在其连接点内产生热量。发热率是功率（P）的函数。热量从结点传输至外壳，再从外壳至散热片，最后散热至周围环境。如果没有使用散热器，热量会从外壳散发到环境中。当发热速率等于散热速率时，结温（TJ）将升高直至达到平衡。TJ的上升速度和上升高度取决于传导介质。
即使二极管的TJ看似低于基于直流或平均功耗的最大额定值，其在运行时还是可能出现故障。很可能是由于在瞬间浪涌发生的一段时间内，与浪涌相关的多余热量从结点到壳体没有快速消散，从而导致TJ上升超过临界极限。还可能是二极管电流处于重复脉冲的形式，当从平均电流角度分析ΔTJ时，与脉冲形式的电流相比，其有着显著差异。
瞬态峰值功率分析
作为瞬态峰值功率（Ppk）分析的说明，图1显示了由电流脉冲源供电的RC网络。假设当前最大（Imax）为10A，占空比为20％，电阻为10Ω，电容值为RC时间常数且大于关断脉冲周期，平均电流为2A。由于电阻两端的电压是时间的函数，在最终当达到稳态时，它可能接近100V而不是20V。
图1：RC CKT与时间的特性示意图
在分析半导体二极管的温度和功率关系时可以类比。图2显示了一个热等效电路，其功率相当于电流，温度与电压。假设最大功率脉冲（Pmax）为100W，占空比为20％，结至外壳的热阻（Θjc）为2°C / W，平均来讲，结温升高ΔTJ仅为40°C（20W*2°C/W）。如果热时间常数大于脉冲关闭时间，TJ升高将超过40°C。
图2：热CKT与时间的特征示意图
瞬态峰值功率/电流测定
基于TJ = PxΘ，控制温度梯度、功率和热阻可用于确定对于给定的最大TJ额定值的最大可允许峰值功率Ppk。这里P代表Ppk，而Θ代表Θjc（t），即有效的瞬态热阻，它是时间的函数。
Θjc（t）类似于瞬态电阻，如图1所示，电流脉冲是一个幅度为1A的阶跃函数，电阻值为10Ω。RC网络对阶跃函数的响应如图3所示。稳态时的网络电压为10 V，在RC时间常数点，电压为6.3 V。在另一时刻，根据公式V（t）= Imax R（1-e-t / RC），电压将小于时间常数。
图3：热CKT与时间的特征示意图
如果瞬态电压响应V（t）/Imax，则当达到稳态时，瞬态电阻R（t）= R（1-e-t / RC）并且R（t）变为10Ω。在稳定状态之前，由于电容C引起的瞬态效应，R（t）小于10Ω。因此，在时间常数点，R（t）为6.3Ω，并且在某个更早的点T1，它可能为3Ω。一旦RC的瞬态电阻R（t）已知，就可以针对具有已知脉冲宽度PW的任何电流脉冲来计算或预测瞬态电压。例如，参考图3，在T1处，R（t）=3Ω，对于PW = T1的电流脉冲，电压V（t）为Imax=3Ω。如果电流脉冲幅度为10A，则在T1时V（t）为30 V。使用上述类比，可以通过应用基本公式来分析或预测二极管结的瞬态热响应：TJ = P*Θjc（t）+ TC或ΔTJ= P*Θjc（t）。
根据已知的Θjc（t），可以确定给定瞬态脉冲宽度和参考外壳温度下的最大容许峰值功率Ppk和峰值电流Ipk，或者可以确定给定峰值功率或电流浪涌的峰值工作TJ。
单脉冲Ppk / Ipk测定：正常二极管
重写上述公式，P =（TJ-TC）/Θjc（t），要求出最大容许峰值功率Ppk，只需知道最大容许TJ ，参考壳体温度TC和有效热阻是已知的。以CMR1U-10M二极管为例，图4显示了该器件的有效热阻与时间的函数关系。使用200°C作为50°C的最大TJ和TC，各种脉冲宽度PW的峰值功率Ppk在下表1中计算：
图5是峰值功率与脉冲宽度的关系曲线。从该图可以确定TC = 50°C时各种脉冲宽度下的最大容许Ppk。
为了确定峰值正向电流Ifpk，可以使用公式Ppk = Ifpk*Vfpk。
图4：CMR1U-10M的热响应示意图
图5：CMR1U-10M @ TC = 50°C时的峰值功率与脉冲宽度的关系
表1：TJmax = 200°C, TC = 50°C
如图6所示，Vfpk = Vt + Ifpk Zd，其中Vt是二极管阈值电压，Zd是动态阻抗。因此，Ppk = Ifpk（VT + Ipk Zd）或Ppk = Ifpk VT + I2 fpk Zd。
相应Ppk的正向峰值电流可以通过二次方程的根来图解或分析确定。绘制出峰值电流与瞬态脉冲宽度PW的关系曲线，并叠加在图5上。
图6
齐纳/ TVS二极管
除了正向阈值电压VT由齐纳或瞬态电压抑制器（TVS）钳位电压VZ取代之外，确定齐纳二极管/ TVS二极管峰值容许功率和电流的过程与普通二极管相同。因此，Ppk = Ipk VZ + I2pk Zd。为了说明，central半导体公司的CMZ5349B齐纳管用于Ppk和Ipk测定。图7显示了器件的有效瞬态热阻Θjc（t）VS瞬态脉冲宽度PW。如图7中使用TJ max，在150°C，参考外壳温度TC在50°C，VZ在12.6 V，Zd在1.25Ω和Θjc（t），计算各脉冲宽度的最大Ppk，（TJ max - TC）/Θjc（t）和相应的Ipk在表2中给出。
图8是基于上述数据的Ppk和Ipk VS PW的图。根据此图，可以确定50°C时TC处峰值容许功率或电流的各种脉冲宽度。
图7：CMZ5340B的热响应示意图
图8：在TC = 50°C时，CMZ5349B的峰值功率/峰值电流与脉冲宽度的关系
表2：TJmax = 150°C, TC = 50°C
重复脉冲Ppk / Ipk测定
当峰值功率脉冲重复时，脉冲之间的关闭时间是需要考虑的重要因素。如果关断周期Poff足够长以使结温TJ在下一个脉冲开始之前恢复到平衡外壳温度TC，则应将其视为非重复性情况。如果Poff不足以让TJ恢复到原来的平衡状态，那么Ppk / Ipk分析的重复情况就是有效的。通常，如果Poff小于设备的四个时间常数，则重复情况适用。
分析重复脉冲情况的一种简单而实用的方法是考虑重复峰值功率脉冲由直流或平均分量和叠加交流分量组成。由于峰值结温与峰值功率成比例关系，因此产生的TJ上升由DC和AC分量组成。以central半导体公司的CMR1U-10M二极管为例，如图9所示，假设峰值功率为100W，脉冲宽度PW为0.5ms，周期为10ms的脉冲串，占空比为5％，因此Pavg为5 W。参照图4，稳态热阻为13°C/W，因此TJ的平均升温是85°C。另外从图4可以看出，0.5ms时的有效热阻为0.7°C/W，100W峰值时的交流分量为70°C。因此，如图9所示，预计TJ会在120°C和50°C之间移动，平均在85°C。如果案例参考TC为25°C，则峰值TJ将为145°C。
根据上面的例子和图9中关于Ppk、TJ上升、占空比和有效瞬态热阻的简单公式，可以确定任何给定TJ max的最大允许Ppk。一旦Ppk确定，相应的Ipk可以容易地使用前述示例中所示的相同过程来确定。
图9：带有CMR1U-10M的重复脉冲示意图
结论
常规的最大结温TJ和最大额定功率可用于直流或稳态运行。对于瞬态峰值功率运行，应使用有效的瞬态热阻从瞬态峰值功率角度分析二极管结的热响应。当峰值功率脉冲重复时，可以通过考虑功率由两个组件DC和AC组成的角度来分析热响应。central半导体公司推出的CMR1U-10M采用玻璃钝化芯片，可改善瞬态峰值功率对二极管的影响。
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