[發明專利]一種快速軟恢復二極管功能性能的評估方法

有效

• 申請號: 202010769032.3
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN112034321B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 劉艷秋;朱恒靜;張洪偉;肖愛斌;羅磊;唐民;汪洋;王文炎;劉靖宇;鄭雪松
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張麗娜

1.一種基于安全工作區驗證的快速軟恢復二極管功能性能的評估方法，其特征在于該方法的步驟包括：

（1）對不同溫度條件下正向電壓與正向電流關聯特性進行評估的方法，得到快速軟恢復二極管在室溫、額定工作最高溫度、額定工作最低溫度條件、宇航應用環境最高溫度條件、宇航應用環境最低溫度條件下的正向電壓與正向電流關聯曲線；

（2）對不同溫度條件下反向耐壓與反向漏電流關聯特性進行評估的方法，得到快速軟恢復二極管在室溫、額定工作最高溫度、額定工作最低溫度條件、宇航應用環境最高溫度條件、宇航應用環境最低溫度條件下反向漏電流與反向電壓關聯曲線；

（3）對不同溫度條件下反向恢復特性進行評估的方法，得到快速軟恢復二極管在室溫、額定工作最高溫度、額定工作最低溫度條件、宇航應用環境最高溫度條件、宇航應用環境最低溫度條件下的在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復特性曲線；

（4）對反向恢復時間與溫度的關聯特性進行評估的方法，得到快速軟恢復二極管在室溫、額定工作最高溫度、額定工作最低溫度條件、宇航應用環境最高溫度條件、宇航應用環境最低溫度條件下的在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下反向恢復時間與溫度關聯曲線；

（5）對反向恢復電流與溫度的關聯特性進行評估的方法，得到快速軟恢復二極管在室溫、額定工作最高溫度、額定工作最低溫度條件、宇航應用環境最高溫度條件、宇航應用環境最低溫度條件下的在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復電流與溫度關聯曲線；

（6）對穩態功率安全工作區驗證進行評估的方法，得到獲得快速軟恢復二極管的穩態功率安全工作區的極限值；

（7）對瞬態功率安全工作區驗證進行評估的方法，得到快速軟恢復二極管的瞬態功率安全工作區的極限值；

（8）根據步驟（1）和步驟（2）獲取的快速軟恢復二極管在室溫、額定工作最高溫度、額定工作最低溫度條件、宇航應用環境最高溫度條件、宇航應用環境最低溫度條件下的正向電壓與正向電流關聯曲線和反向漏電流與反向電壓關聯曲線，根據實際應用的溫度條件及其變化范圍，確定出（I_F，V_F）和（V_R，I_R）的變化范圍，進而確定在應用于二次電源整流、續流或隔離時的功耗范圍，為熱設計或電源轉換效率進行指導；

（9）根據步驟（3）、步驟（4）和步驟（5）獲取的快速軟恢復二極管在室溫、額定工作最高溫度、額定工作最低溫度條件、宇航應用環境最高溫度條件、宇航應用環境最低溫度條件下的在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復電流與溫度關聯曲線、反向恢復時間與溫度關聯曲線，從曲線中得到應用時的反向恢復時間和反向恢復電流，根據反向恢復時間和反向恢復電流確定反向恢復會對輸出電壓的影響；

（10）根據通過步驟（6）對穩態功率安全工作區進行驗證，獲得快速軟恢復二極管的穩態功率安全工作區的極限值；通過步驟（7）對瞬態功率安全工作區進行驗證，獲得快速軟恢復二極管的瞬態功率安全工作區，用于對快速軟恢復二極管的設計余量進行指導；

所述的步驟（1）中，對不同溫度條件下正向電壓與正向電流關聯特性進行評估的方法為：

（1.1）在室溫條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定若干個正向電流條件下的正向電壓，并求取每個給定正向電流條件下該若干個快速軟恢復二極管的電壓平均值，得到若干組正向電流-正向電壓值，用（I_F，V_F）表示，I_F表示正向電流，V_F表示正向電壓，并對得到的若干組（I _F，V _F）進行曲線擬合，得到室溫條件下正向電壓與正向電流關聯曲線；

（1.2）在快速軟恢復二極管的額定工作最高溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定若干個正向電流條件下的正向電壓，并求取每個給定正向電流條件下該若干個快速軟恢復二極管的電壓平均值，得到若干組正向電流-正向電壓值，用（I _F，V _F）表示，I_F表示正向電流，V_F表示正向電壓，并對得到的若干組（I_F，V_F）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的額定工作最高溫度條件下正向電壓與正向電流關聯曲線；

（1.3）在快速軟恢復二極管的額定工作最低溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定若干個正向電流條件下的正向電壓，并求取每個給定正向電流條件下該若干個快速軟恢復二極管的電壓平均值，得到若干組正向電流-正向電壓值，用（I_F，V _F）表示，I_F表示正向電流，V_F表示正向電壓，并對得到的若干組（I _F，V _F）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的額定工作最低溫度條件下正向電壓與正向電流關聯曲線；

（1.4）在快速軟恢復二極管的宇航應用環境最高溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定若干個正向電流條件下的正向電壓，并求取每個給定正向電流條件下該若干個快速軟恢復二極管的電壓平均值，得到若干組正向電流-正向電壓值，用（I _F，V _F）表示，I_F表示正向電流，V_F表示正向電壓，并對得到的若干組（I _F，V_F）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的宇航應用環境最高溫度條件下正向電壓與正向電流關聯曲線；

（1.5）在快速軟恢復二極管的宇航應用環境最低溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定若干個正向電流條件下的正向電壓，并求取每個給定正向電流條件下該若干個快速軟恢復二極管的電壓平均值，得到若干組正向電流-正向電壓值，用（I_F，V _F）表示，I_F表示正向電流，V_F表示正向電壓，并對得到的若干組（I_F，V _F）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的宇航應用環境最低溫度條件下正向電壓與正向電流關聯曲線；

上述給定的正向電流的取值范圍為：快速軟恢復二極管的正向整流電流的最大額定值作為正向電流的最大值，正向電流的最小值為零，根據宇航型號應用需求確定測試步長；

所述的步驟（2）中，對不同溫度條件下反向耐壓與反向漏電流關聯特性進行評估的方法為：

（2.1）在室溫條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定反向電壓條件下的反向漏電流，并求取每個給定反向電壓條件下該若干個快速軟恢復二極管的反向漏電流平均值，得到若干組反向電壓-反向漏電流，用（V_R，I_R）表示，I_R表示反向漏電流，V_R表示反向電壓，并對得到的若干組（V_R，I_R）進行曲線擬合，得到室溫條件下反向漏電流與反向電壓關聯曲線；

上述的反向電壓的取值范圍為：快速軟恢復二極管的反向最大工作電壓作為反向電壓的最大值，反向電壓的最小值為零，根據宇航型號應用需求確定測試步長；

（2.2）在快速軟恢復二極管的額定工作最高溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定反向電壓條件下的反向漏電流，并求取每個給定反向電壓條件下該若干個快速軟恢復二極管的反向漏電流平均值，得到若干組反向電壓-反向漏電流，用（V_R，I_R）表示，I_R表示反向漏電流，V_R表示反向電壓，并對得到的若干組（V_R，I_R）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的額定工作最高溫度條件下反向漏電流與反向電壓關聯曲線；

（2.3）在快速軟恢復二極管的額定工作最低溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定反向電壓條件下的反向漏電流，并求取每個給定反向電壓條件下該若干個快速軟恢復二極管的反向漏電流平均值，得到若干組反向電壓-反向漏電流，用（V_R，I_R）表示，I_R表示反向漏電流，V_R表示反向電壓，并對得到的若干組（V_R，I_R）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的額定工作最低溫度條件下反向漏電流與反向電壓關聯曲線；

（2.4）在快速軟恢復二極管的宇航應用環境最高溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定反向電壓條件下的反向漏電流，并求取每個給定反向電壓條件下該若干個快速軟恢復二極管的反向漏電流平均值，得到若干組反向電壓-反向漏電流，用（V_R，I_R）表示，I_R表示反向漏電流，V_R表示反向電壓，并對得到的若干組（V_R，I_R）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的宇航應用環境最高溫度條件下反向漏電流與反向電壓關聯曲線；

（2.5）在快速軟恢復二極管的宇航應用環境最低溫度條件下測試若干個快速軟恢復二極管給定反向電壓條件下的反向漏電流，并求取每個給定反向電壓條件下該若干個快速軟恢復二極管的反向漏電流平均值，得到若干組反向電壓-反向漏電流，用（V_R，I_R）表示， I_R表示反向漏電流，V_R表示反向電壓，并對得到的若干組（V_R，I_R）進行曲線擬合，得到快速軟恢復二極管的宇航應用環境最低溫度條件下反向漏電流與反向電壓關聯曲線；

上述的反向電壓的取值范圍為：快速軟恢復二極管的反向最大工作電壓作為反向電壓的最大值，反向電壓的最小值為零，根據宇航型號應用需求確定測試步長；

所述的步驟（3）中，對不同溫度條件下反向恢復特性進行評估的方法為：

（3.1）在室溫下測試快速軟恢復二極管在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復波形；I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值，50%I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值的50%；

（3.2）在快速軟恢復二極管的額定工作最高溫度下測試快速軟恢復二極管在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復波形；I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值，50%I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值的50%；

（3.3）在快速軟恢復二極管的額定工作最低溫度下測試快速軟恢復二極管在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復波形；I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值，50%I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值的50%；

（3.4）在快速軟恢復二極管的宇航應用環境最高溫度下測試快速軟恢復二極管在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復波形；I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值，50%I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值的50%；

（3.5）在快速軟恢復二極管的宇航應用環境最低溫度下測試快速軟恢復二極管在I_FM測試應力下和50%I_FM測試應力下的反向恢復波形；I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值，50%I_FM測試應力為正向整流電流的最大額定值的50%；

所述的步驟（4）中，對反向恢復時間與溫度的關聯特性進行評估的方法為：

（4.1）在設定的溫度T_設下測試若干個快速軟恢復二極管I_FM測試應力條件下的反向恢復時間，并求取該若干個快速軟恢復二極管的反向恢復時間平均值，得到若干組設定的溫度-反向恢復時間，用（T_設，t_rr）表示，T_設表示設定的溫度，t_rr表示反向恢復時間，并對得到的若干組（T_設，t_rr）進行曲線擬合，得到I_FM測試應力條件下反向恢復時間與溫度關聯曲線；

上述的設定的溫度的取值范圍為：最小值為快速軟恢復二極管額定工作最低溫度，最大值為快速軟恢復二極管額定工作最高溫度，根據宇航型號應用需求確定測試步長；

（4.2）在設定的溫度T_設下測試若干個快速軟恢復二極管50%I_FM測試應力條件下的反向恢復時間，并求取該若干個快速軟恢復二極管的反向恢復時間平均值，得到若干組設定的溫度-反向恢復時間，用（T_設，t_rr）表示，T_設表示設定的溫度，t_rr表示反向恢復時間，并對得到的若干組（T_設，t_rr）進行曲線擬合，得到50%I_FM測試應力條件下反向恢復時間與溫度關聯曲線；

所述的步驟（5）中，對反向恢復電流與溫度的關聯特性進行評估的方法為：

（5.1）在設定的溫度T_設下測試若干個快速軟恢復二極管I_FM測試應力條件下的反向恢復電流，并求取該若干個快速軟恢復二極管的反向恢復電流平均值，得到若干組設定的溫度-反向恢復電流，用（T_設，I_rr）表示，T_設表示設定的溫度，I_rr表示反向恢復電流，并對得到的若干組（T_設，I_rr）進行曲線擬合，得到I_FM測試應力條件下反向恢復時間與溫度關聯曲線；

上述的設定的溫度的取值范圍為：最小值為快速軟恢復二極管額定工作最低溫度，最大值為快速軟恢復二極管額定工作最高溫度，根據宇航型號應用需求確定測試步長；

（5.2）在設定的溫度T_設下測試若干個快速軟恢復二極管50%I_FM測試應力條件下的反向恢復電流，并求取該若干個快速軟恢復二極管的反向恢復電流平均值，得到若干組設定的溫度-反向恢復電流，用（T_設，I_rr）表示，T_設表示設定的溫度，I_rr表示反向恢復電流，并對得到的若干組（T_設，I_rr）進行曲線擬合，得到50%I_FM測試應力條件下反向恢復電流與溫度關聯曲線；

所述的步驟（6）中，對穩態功率安全工作區驗證進行評估的方法為：

（6.1）對若干個快速軟恢復二極管施加初始條件保持168小時，即試驗初始條件為I_F=I_FM，t=168h，通過散熱裝置保證環境條件為I_FM對應的溫度條件T，直至試驗結束即時間到168h，對該若干個快速軟恢復二極管按照電特性表進行測試，判斷器件是否有失效；

（6.2）若快速軟恢復二極管中至少有一個有失效，則表示該若干個快速軟恢復二極管均不能達到正向整流電流的最大額定值（I_FM）的安全工作區；

若快速軟恢復二極管均未出現失效，則表示該若干個快速軟恢復二極管能夠達到正向整流電流的最大額定值（I_FM）的安全工作區，試驗繼續，試驗條件更改為I’_F=I_FM+ΔI_F，步長ΔI_F選取2%I_FM~10%I_FM，t=168h，保持散熱裝置不變，即此次試驗的溫度條件與I_FM對應的溫度條件T不一定相同，直至試驗結束，對該若干個快速軟恢復二極管按照電特性表進行測試，判斷器件是否有失效；

（6.3）若快速軟恢復二極管中至少有一個有失效，則表示該若干個快速軟恢復二極管能達到正向整流電流的最大額定值（I_FM）的安全工作區，但正向整流電流的最大額定值設計余量較小，該器件正向整流電流的極限值大于I_FM，小于I_F=I_FM+ΔI_F；

若快速軟恢復二極管均未出現失效，則表示該快速軟恢復二極管能夠達到正向整流電流I_FM+ΔI_F，試驗繼續，試驗條件更改為I’’_F=I_FM+2ΔI_F，ΔI_F為步長，t=168h，保持散熱裝置不變，即此次試驗的溫度條件與I_FM對應的溫度條件T不一定相同，直至試驗結束，對該若干個快速軟恢復二極管按照電特性表進行測試，判斷器件是否有失效；

（6.4）按照步驟（6.3）進行試驗和測試，增加步長至快速軟恢復二極管中至少有一個出現失效，實現快速軟恢復二極管的正向整流電流的極限能力的評估；

T為T_C或T_A；

T_C為當快速軟恢復二極管的正向整流電流為最大額定值（I_FM）時快速軟恢復二極管管殼的最高溫度；

T_A為當快速軟恢復二極管的正向整流電流為最大額定值（I_FM）時快速軟恢復二極管所處的環境最高溫度；

IR公司的HFA35HB60C型超快軟恢復二極管，正向整流電流的最大額定值為30A，對應的溫度條件為T_C=100℃，即保證快速軟恢復二極管殼溫T_C=100℃的條件下，快速軟恢復二極管整流電流的最大值為30A，穩態功率安全工作區驗證將快速軟恢復二極管的正向整流電流的最大額定值（I_FM）及其對應的溫度條件T_C或T_A設置為試驗的初始條件，通過散熱裝置來保證T_C或T_A，保證T_C或T_A的穩定性；

所述的步驟（7）中，對瞬態功率安全工作區驗證進行評估的方法為：

（7.1）對若干個快速軟恢復二極管施加初始條件500次，即試驗初始條件為I_F=I_FSM，500次，保持初始條件中的浪涌時間間隔進而保證環境條件為I_FSM對應的環境溫度T（T_C或T_A），直至試驗結束，對該若干個快速軟恢復二極管按照電特性表進行測試，判斷器件是否有失效；

（7.2）若快速軟恢復二極管中至少有一個有失效，則表示該若干個快速軟恢復二極管均不能達到正向浪涌電流的最大額定值（I_FSM）的安全工作區；

若快速軟恢復二極管均未出現失效，則表示該若干個快速軟恢復二極管能夠達到正向浪涌電流的最大額定值（I_FSM）的安全工作區，試驗繼續，試驗條件更改為I’_FS=I_FSM+ΔI_FS，步長ΔI_FS選取2%I_FSM~10%I_FSM，500次，保持每兩次浪涌之間的時間間隔不變，即此次試驗的溫度條件與I_FSM對應的環境溫度T（T_C或T_A）不一定相同，直至試驗結束，對若干個快速軟恢復二極管按照電特性表進行測試，判斷器件是否有失效；

（7.3）若快速軟恢復二極管中至少有一個有失效，則表示該若干個快速軟恢復二極管能達到正向浪涌電流的最大額定值（I_FSM）的安全工作區，但正向浪涌電流的最大額定值設計余量較小，該若干個快速軟恢復二極管正向浪涌電流的極限值大于I_FSM，小于I_FS=I_FSM+ΔI_FS；

若該若干個快速軟恢復二極管均未出現失效，則表示該若干個快速軟恢復二極管能夠達到正向浪涌電流I_FSM+ΔI_FS，試驗繼續，試驗條件更改為I’’_FS=I_FSM+2ΔI_FS，ΔI_FS為步長，500次，保持每兩次浪涌之間的時間間隔不變，即此次試驗的溫度條件與I_FSM對應的環境條件T不一定相同，直至試驗結束，對該若干個快速軟恢復二極管進行全參數測試，判斷器件是否有失效；

（7.4）按照步驟（7.3）進行試驗和測試，增加步長至快速軟恢復二極管出現失效，實現快速軟恢復二極管的正向浪涌電流的極限能力的評估；

IR公司的HFA35HB60C型超快軟恢復二極管，正向浪涌電流的最大額定值為150A，對應的溫度條件為T_C=25℃，即保證快速軟恢復二極管殼溫T_C=25℃的條件下，快速軟恢復二極管正向浪涌電流的最大值為150A，瞬態功率安全工作區驗證將快速軟恢復二極管的正向浪涌電流的最大額定值（I_FSM）及其對應的溫度條件設置為試驗的初始條件，持續加500次浪涌，通過設置每兩次浪涌之間的時間間隔保證T_C或T_A，且必須保證T_C或T_A的穩定性。