??抑制功率二極管反向恢復(fù)方案大全
作者：海飛樂(lè)技術(shù) 時(shí)間：2017-01-02 17:56
高頻功率二極管在電力電子裝置中的應(yīng)用極其廣泛。但PN結(jié)功率二極管在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)過(guò)程中，存在反向恢復(fù)現(xiàn)象。這會(huì)引起二極管損耗增大，電路效率降低以及EMI增加等問(wèn)題。這一問(wèn)題在大功率電源中更加突出。常用RC吸收、串入飽和電抗器吸收、軟開(kāi)關(guān)電路等開(kāi)關(guān)軟化方法加以解決，但關(guān)于其效果對(duì)比的研究報(bào)道尚不多見(jiàn)。本文以Buck電路為例，對(duì)這幾種方案進(jìn)行了比較，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真得出有用的結(jié)論。
1、二極管反向恢復(fù)原理
以普通PN結(jié)二極管為例，PN結(jié)內(nèi)載流子由于存在濃度梯度而具有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于電場(chǎng)作用存在漂移運(yùn)動(dòng)，兩者平衡后在PN結(jié)形成空間電荷區(qū)。當(dāng)二極管兩端有正向偏壓，空間電荷區(qū)縮小，當(dāng)二極管兩端有反向偏壓，空間電荷區(qū)加寬。當(dāng)二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下突加反向電壓時(shí)，存儲(chǔ)電荷在電場(chǎng)的作用下回到己方區(qū)域或者被復(fù)合，這樣便產(chǎn)生一個(gè)反向電流。
2、解決功率二極管反向恢復(fù)的幾種方法
為解決功率二極管反向恢復(fù)問(wèn)題已經(jīng)出現(xiàn)了很多種方案。一種思路是從器件本身出發(fā)，尋找新的材料力圖從根本上解決這一問(wèn)題，比如碳化硅二極管的出現(xiàn)帶來(lái)了器件革命的曙光，它幾乎不存在反向恢復(fù)的問(wèn)題。另一種思路是從拓?fù)浣嵌瘸霭l(fā)，通過(guò)增加某些器件或輔助電路來(lái)使功率二極管的反向恢復(fù)得到軟化。目前，碳化硅二極管尚未大量進(jìn)入實(shí)用，其較高的成本制約了普及應(yīng)用，大量應(yīng)用的是第二種思路下的軟化電路。本文以一個(gè)36V輸入、30V/30A輸出、開(kāi)關(guān)頻率為62.5kHz電路（如圖1所示）為例，比較了幾種開(kāi)關(guān)軟化方法。
圖1 Buck電路
2.1 RC吸收
這是解決功率二極管反向恢復(fù)問(wèn)題的常用方法。在高頻下工作的功率二極管，要考慮寄生參數(shù)。圖2(a)為電路模型，其中D為理想二極管，Lp為引線電感，Cj為結(jié)電容，Rp為并聯(lián)電阻（高阻值），Rs為引線電阻。RC吸收電路如圖2（b）所示，將C1及R1串聯(lián)后并聯(lián)到功率二極管D0上。二極管反向關(guān)斷時(shí)，寄生電感中的能量對(duì)寄生電容充電，同時(shí)還通過(guò)吸收電阻R1對(duì)吸收電容C1充電。在吸收同樣能量的情況下，吸收電容越大，其上的電壓就越?。划?dāng)二極管快速正向?qū)〞r(shí)，C1通過(guò)R1放電，能量的大部分將消耗在R1上。
圖2 解決功率二極管反向恢復(fù)問(wèn)題的常用方案
2.2 串聯(lián)飽和電抗器
這是解決這一問(wèn)題的另一種常用方法，如圖2（c）所示。一般鐵氧體(Ferrite)磁環(huán)和非晶合金(Amorphous)材料的磁環(huán)都可以做飽和電抗器。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，用飽和電抗器解決二極管反向恢復(fù)問(wèn)題時(shí)，常用的錳鋅鐵氧體有效果，但是能量損失比非晶材料大。隨著材料技術(shù)的進(jìn)展，近年來(lái)非晶飽和磁性材料性能有了很大提高。
對(duì)應(yīng)圖3（a）和圖3（b），第Ⅰ階段通過(guò)D0的電流很大，電抗器Ls飽和，電感值很?。坏冖螂A段當(dāng)二極管電流開(kāi)始下降時(shí)，Ls仍很??；第Ⅲ階段二極管電流反向，反向恢復(fù)過(guò)程開(kāi)始(trr為反向恢復(fù)時(shí)間)，Ls值很快增大，抑制了反向恢復(fù)電流的增大，這樣就使電流變成di/dt較小的軟恢復(fù)，使二極管的損耗減小，同時(shí)抑制了一個(gè)重要的噪聲源；第Ⅳ階段二極管反向恢復(fù)結(jié)束；第Ⅴ階段二極管再次導(dǎo)通，由于電流增大，Ls很快飽和。
圖3 飽和電抗器對(duì)二極管反向恢復(fù)抑制示意
2.3 軟開(kāi)關(guān)電路
圖2（d）為一種有效的二極管反向恢復(fù)軟化電路[2]。Lk為變壓器漏感。n為變壓器匝比，這里取n=3，其工作過(guò)程如圖4所示。
階段1如圖4(a)所示，開(kāi)關(guān)S已經(jīng)導(dǎo)通，D0處于反向截止?fàn)顟B(tài)，勵(lì)磁電感Lm與漏感Lk被線性充電。階段2開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，S的寄生電容Cp被充電，該過(guò)程很短，可近似看作線性，如圖4(b)所示。階段3D0及Db均導(dǎo)通，如圖4(c)所示。階段4二極管D0中的電流在漏感Lk的作用下逐漸下降為0，如圖4(d)所示。階段5開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，如圖4（e）所示，支路二極管Db中的電流繼續(xù)下降，在S關(guān)斷前下降為0。
圖4(c)中D0導(dǎo)通，uD0≈0，當(dāng)?shù)綀D4(d)狀態(tài)，uD0=－u2=u0/(1＋n)，圖5(d)的試驗(yàn)波形驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5給出了各種情況下的二極管D0的端電壓波形。
圖5 實(shí)驗(yàn)波形
從圖5波形中可以看到，二極管反向恢復(fù)的電壓毛刺減小，說(shuō)明3種方案對(duì)二極管反向恢復(fù)均有抑制的效果。用RC吸收電路雖然抑制了二極管反向恢復(fù)，但反向恢復(fù)的電壓毛刺與振蕩還比較明顯。采用軟化電路后如前分析，理論上反向恢復(fù)電流應(yīng)該降為零，但由于電路中雜散參數(shù)的影響，二極管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形還有振蕩。串入飽和電抗器對(duì)二極管反向恢復(fù)抑制效果最好。
4、小結(jié)
碳化硅的推廣應(yīng)用或許是二極管反向恢復(fù)問(wèn)題的根本解決途徑。目前主要采用RC吸收電路。串聯(lián)飽和電抗器以及軟化電路也是抑制二極管反向恢復(fù)的有效方案。理論分析和試驗(yàn)證明，串聯(lián)非晶飽和電抗器最為簡(jiǎn)單有效，有望得到進(jìn)一步推廣。
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