[技术浅谈TechTalk]TVS简介

力特奥维斯Littelfuse 2022-10-11 16:54

  


技术浅谈

Techtalk

  

作者:Littelfuse客户经理Rambo Liu

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PN结二极管具有正向导通,反向关断的特性,通过不同的材料、掺杂、外延以及工艺的改进使其广泛应用于电力电子行业功率变换与电路保护,TVS二极管具有响应速度快、漏电流小、钳位电压稳以及无寿命衰减的特性,从小到信号线静电防护,大到电力系统抗雷击浪涌,TVS都发挥着至关重要的作用。本章对TVS工作机理与核心参数展开分析,供产品选型参考。


TVS二极管工作原理

TVS二极管,既瞬态抑制二极管,又叫雪崩击穿二极管,采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件。TVS二极管有单向与双向之分,单向TVS二极管一般应用于直流供电电路,双向TVS二极管应用于电压交变的 电路。当应用于直流电路时,单向TVS二极管反向并联于电路中,当电路正常工作时,TVS二极管处于截止状态(高阻态),不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS(雪崩)击穿电压时,TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,泄放由异常过电压导致的瞬时过电流,同时把异常过电压钳制在较低的水平,从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后,TVS 阻值又恢复为高阻态。


TVS二极管在结构上改进增大PN结面积,使其瞬态通流能力大大提高,其掺杂浓度与耐压成反比与浪涌电流成正比,低掺杂使得节点获得更高耐压,相应的通流能力变弱,通过扩大晶圆尺寸的方式来能解决高压与大通流不可兼容的问题,同样的也会带来成本的增加。

在实际应用中如果无需单向TVS二极管正向导通来实现一定程度的续流,那么采用双向TVS二极管可以达到同样保护效果,同时还具有防止直流电压反接而引起的TVS短路烧毁现象。



齐纳击穿与雪崩击穿

TVS二极管与Zener二极管同样作为过压保护, TVS着重浪涌电压的钳位保护,具有抗大电流冲击的能力;Zener管着重于稳压效果,具有浪涌电流小,保护电压稳的特点,两者在原理与保护特性有所区别,同时在个别应用领域又能一定程度的互换。

齐纳击穿

当反向电压增大到一定值时,势垒区内就能建立起很强的电场,它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来,使势垒区产生大量的电子一空穴对,形成较大的反向电流,产生击穿,把这种在强电场作用下,使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。

齐纳击穿一般发生在掺杂浓度较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较高的PN结,空间电荷区的电荷密度很大,宽度较窄,只要加不大的反向电压,就能建立起很强的电场,发生齐纳击穿。

雪崩击穿

随着反向电压的提高,空间电荷区内电场增强,通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压Vbr时,这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离,产生新的电子一空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下,重新获得能量,碰撞其它的中性原子使之电离,再产生更多的电子一空穴对。这种连锁反应继续下去,使空间电荷区内的载流子数量剧增,就像雪崩一样,使反向电流急剧增大,产生击穿。所以把这种击穿称为雪崩击穿。

雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结中。这是因为掺杂浓度较低的PN结,空间电荷区宽度较宽,发生碰撞电离的机会较多。


TVS二极管主要参数:

TVS作为浪涌保护器件,熟练掌握其关键参数能帮助产品选型与设计。这里以SMC(DO-214AB)封装大功率8kW产品8.0SMDJ系列为例展开介绍。


耗散功率,正向峰值电流,正向导通压降,工作温度以及热阻等参数可以在应用中作为参考,正向导通特性仅限于单向TVS,在一定程度上可以作为小电流泄放回路。


峰值脉冲功率Pppm

TVS二极管通常是10/1000us波形下达到的瞬态峰值功率,是最大脉冲电流峰值与最大钳位电压的乘积,鉴于实际应用会碰到各种不同脉冲宽度的浪涌冲击,规格书同步给出了峰值脉冲功率与脉冲宽度曲线作为设计参考,从曲线可以看出,随着脉冲时间缩短,瞬时功率得到提升,一只典型的TVS在脉冲8/20us下的脉冲功率是10/1000us波形下的5~10倍。


TVS二极管雪崩效应具有正温度系数特性,即温度越高其漏电流与钳位电压越高,同时因为结点温度的限制,使得TVS二极管脉冲峰值功率在高温下需要考虑降额。

截止电压Vr

TVS 的截止电压,可连续施加而不引起 TVS损坏的最高工作峰值电压。TVS符合二极管的反向耐压特性,电压越高漏电流越大,因此截止电压通常是定义在uA级电流下,此电流幅值并联于电路当中不会对信号产生衰减,同时长时间工作状态下不会因为漏电流过大导致过热而失效。因此在产品选型时,电路的最高工作电压必须小于Vr,否则将会引起TVS动作导致电路异常。


漏电流Ir

漏电流,也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下,流过 TVS 反向的最大电流。TVS 的漏电流一般是在截止电压下测量,对于一些信号端口,漏电流会为控制或通讯线路的电压信号提供泄放通道,所以TVS的漏电流越小越好。


击穿电压Vbr/测试漏电流It

击穿电压是TVS二极管反向截止与雪崩击穿工作分界线,测试方式为在TVS两端施加电压,直到对应的测试漏电流It为1mA或者10mA,此时测出的电压为击穿电压。TVS二极管在生产时存在一致性偏差,通常选定误差范围为±5%,在误差范围以外的产品在产品出厂前会被判定为不良品而筛除。


钳位电压Vc/峰值脉冲电流Ipp

最大钳位电压与峰值脉冲电流构成了TVS二极管浪涌保护能力,即前面讲到的峰值脉冲功率Pppm。TVS 一般选用给定 10/1000μs 峰值脉冲电流波形时, TVS 两端测得的峰值电压。对于相同规格TVS,在相同 峰值脉冲电流下的钳位电压越小,说明 TVS 的钳位保护特性越好。


结电容Cj

TVS二极管的结电容与击穿电压成反比,击穿电压越高,结电容越小。相比于单向TVS,双向TVS因自身等效双二极管反向串联的工艺拥有更低的结电容。


众所周知电容具有隔直通交的效果,通过RC构成时间常数,因此对于高频信号就需要通过减小等效电阻以及结电容来减少信号衰减。TVS结电容较大通常用于频率较低的浪涌保护,通过减小芯片尺寸以及串联的方式可以减小TVS结电容,但是也带来了浪涌能力减弱的情况。如下SP3401-02UTG通过整流二极管的搭配与TVS构成串联回路,实现了不牺牲浪涌能力Ipp 10A下的低结电容Cj 0.35pF。


结电容固然对于信号有所影响,但是好的设计会适当选择,而不是一味追求低容值,如下来自Littelfuse结电容推荐供参考。


浪涌冲击保护器件从材料可以分为半导体与非半导体,其中TVS与固体放电管为半导体,压敏与气体放电管为非半导体,非半导体通过物理变化起到的保护作用都存在寿命衰减的概念;从保护机理可以分为钳位型与导通型,钳位型具有残压高、吸收能量大的特点,导通型具有残压低、转移能量大的特点,压敏与TVS为钳位型,气体放电管与固体放电管为导通型,导通型只有在电压过零时才会关断,因此适用于交流回路,如果用在直流电上,需要与钳位型器件搭配,或者有个切断开关。

通常产品类别的电气特性有所区别,因此在产品选型时要根据实际保护机制、可靠性以及成本综合考虑。在信号端口静电防护里面也会涉及到不同材料,TVS与聚合物ESD是比较常用的,聚合物与气体放电管相似,采用尖端放电原理,导电材料换为聚合物,聚合物ESD具有极低结电容的特点,尤其适用于高频信号端口防护,当然现在的TVS通过工艺改进结电容也越做越低。




力特奥维斯Littelfuse 力特于1927年于美国伊利诺伊州芝加哥正式成立。如今,力特已经在行业中建立了广泛和全面的电路保护产品系列和产品线,是世界领先的电路元器件供应商及电路保护品牌。
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