在Duopack以及类似器件（IGBT和二极管在一个封装）中，反并联二极管的设计影响着带二极管IGBT的成本和性能。二极管尺寸越小，开关损耗和成本越低。但是，二极管热阻RthJC变大，导通损耗也增加。因此，有着不同热阻Rth的二极管和IGBT的功率损耗平衡是确定二极管正确尺寸的重要途径。本文将探讨反并联二极管设计的主要问题，并通过例子（1kW驱动装置）阐述损耗平衡与结温估算。

1.简介

反并联二极管的正确设计需要考虑各种因素。其中一些与自身技术相关，其它的与应用相关。但是，正向压降Vf、反向恢复电荷Qrr以及Rth与Zth散热能力最终将构成一种“三角”关系。

由于在当前的二极管技术条件下，二极管芯片本身的尺寸已经被削减至很小，所以二极管设计师再次将目光投向电气性能（忽略成本因素）。本文将聚焦驱动应用中的二极管，进行利弊分析与思考。但是，对于所有应用来说，所考虑的基本面是一样的：使用绝对低静态损耗的二极管好，还是考虑整个系统（包括IGBT）性能而使用稍高静态损耗以及更低开关损耗的二极管好？

2. 二极管优化

二极管的反向恢复电荷Qrr与正向压降Vf的优化曲线展示了某种二极管芯片技术的特性。这意味着，原则上该曲线上的每一个点都能实现。因此，可以设计出低Qrr但Vf较高的二极管或者低Vf、高Qrr的二极管。优化曲线可以通过改变电流密度或寿命抑制实现。

一般而言，芯片尺寸越大，正向压降Vf越低（因为电流密度降低了），这也将有助于改善芯片的散热能力，这是优点，但同时开关损耗增加，成本也会有所提高。

对于给定电流密度和芯片尺寸而言，通过局部（例如氦离子照射）或整体（电子照射或带有再结合中心的掺杂，如金或铂）方法削减载流子寿命有着相似的作用：缩短载流子寿命可削减器件中的积累电荷Qrr，但降低了导通性能,提高了正向压降Vf；延长载流子寿命能降低正向压降Vf，但开关损耗增高。大多数实用二极管采用一种或多种寿命控制方法，但整流二极管除外。整流二极管频率非常低并且对导通损耗要求很高，因此削减载流子寿命并非必不可少。

对于本文讨论的二极管技术而言，两种办法——改变电流密度或芯片尺寸都能导致非常相似的曲线。本文选择了改变电流密度并进行了相关计算。这种方法意味着更小尺寸的二极管芯片，从而实现单片晶圆更高的芯片产量，从而削减芯片的单位价格。

另一方面，更小的芯片有着更高的结对壳热阻RthJC，因此首先想到的是需要更大的散热器。但这一结论下得为时过早。

对续流过程的分析显示，二极管的反向恢复电荷产生的电流不仅加在二极管本身，而且还流过被续流的IGBT。集电极波形中的阴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产生的额外电荷。但输出电容部分通常可以忽略，因为IGBT电容非常小,因此，我们可假设该区域是完全由反向恢复造成的。可以看出，首先，当IGBT电压还处于高电平时，反向恢复电流已经开始流动。其次，二极管电流拖尾100ns左右。很明显，二极管的反向恢复性能对于IGBT中的开关损耗有着非常重要的作用。

观察功率损耗的分布情况可知，主要功率损耗通常来自IGBT，因此IGBT的发热会对二极管芯片造成影响。如果二极管本身有更高的损耗，在二极管自身的发热比IGBT的损耗发热更高时，这种情况才会发生改变。从产品角度来说，提高二极管的温度是有利的，这样可以降低总体损耗以及IGBT结温。在额定条件下，当IGBT结温等于二极管结温时，可实现最佳损耗分布。

这意味着，尽管优化型二极管可能因为更小的芯片尺寸而获得更高的RthJC，但这不影响IGBT与二极管并联的性能，因为总体功耗降低了。与EmCon2技术相比，采用EmCon3技术的全新反并联二极管具有较高的正向压降、改进的反向恢复特性以及更低的开关损耗。

该结论与大多数人的理解——用于驱动应用的二极管必须进行针对低导通损耗进行优化，相矛盾。特别是在家电驱动中，如变频洗衣机，低开关损耗同样至关重要。因为在那些应用中，开关频率可以达到15kHz或更高。在这种情况下，开关损耗将构成驱动中整体损耗的很大一部分，绝不能被忽视。这种优化为多种应用打开了大门——不仅在驱动市场，还有所谓的“高速”领域。

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