快恢復(fù)二極管在直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 選型

摘要
  從理論和實(shí)際兩個(gè)方面闡述了快恢復(fù)二極管在功率晶體管保護(hù)電路和直流電動(dòng)機(jī)續(xù)流電路中的應(yīng)用，以及在應(yīng)用中如何選取適當(dāng)?shù)男吞?hào)。
  采用大功率晶體管(Giant Transistor，簡(jiǎn)稱CTR)、絕緣柵雙極晶體管(Insulatrd Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET}等功率開(kāi)關(guān)元件組成的脈寬調(diào)制(PWM)型的調(diào)速系統(tǒng)具有主電路線路簡(jiǎn)單、裝置效率高、可控性能好、工作穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)電網(wǎng)干擾小等優(yōu)點(diǎn)、因此它已成為當(dāng)今電氣傳動(dòng)控制技術(shù)的主流。但由于這些功率開(kāi)關(guān)元件很容易損壞，因此在其使用過(guò)程中，必須要有較完善的保護(hù)電路，而這些系統(tǒng)的工作頻率較高，且處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而普通二極管的結(jié)間電容大，開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法勝任保護(hù)工作；在直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)必須要有續(xù)流二極管，同樣也不能采用普通極管，快恢復(fù)二極管具有反向時(shí)間短、開(kāi)關(guān)特性好、正向電流大等優(yōu)點(diǎn)。其反向恢復(fù)時(shí)間一般為幾十納秒至幾百納秒，正向壓降約為0.6伏，正向額定電流為幾安培至幾千安培，反向耐壓可達(dá)幾百到幾千伏。這樣，快恢復(fù)二極管就以它突出的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)成為PWM控制系統(tǒng)中不可缺少的功率器件。
  限于篇幅。本文僅以電氣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研制的“直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)”為例，探討快恢復(fù)二極管的應(yīng)用。
 
  1.快恢復(fù)二極管在“直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)”中的應(yīng)用
  1.1 作大功率晶體管的緩沖保護(hù)電路中的二極管
  緩沖電路的形式很多，如圖1所示的電路是最基本的也是行之有效的一種緩沖保護(hù)電路。緩沖電路由電感L_S、電容C_S、電阻R_S和二極管VD_S組成。其中L_S是串聯(lián)電感。用來(lái)限制晶體管VT開(kāi)通時(shí)的電流上升率，由C_S、R_S、VD_S構(gòu)成并聯(lián)緩沖電路，主要用來(lái)在VT關(guān)斷時(shí)限制集電極電壓Uce上升率，使大功率晶體管的工作點(diǎn)軌跡遠(yuǎn)離安全工作區(qū)的為界。
  1.2 作直流電動(dòng)機(jī)的續(xù)流二極管
  原理圖如圖1所示。
  當(dāng)晶體管VT開(kāi)通時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)由電源經(jīng)晶體管供電，其左端為正，右端為負(fù)，電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)晶體管VT關(guān)斷時(shí),由于電樞電感的影響，電樞電流不能突變，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，其左端為負(fù)，右端為正，如果沒(méi)有續(xù)流二極管VD，此電動(dòng)勢(shì)將與電源電壓U_S相加，一起加在晶體管VT的C、E兩端，而整個(gè)回路的電阻很大，因此晶體管兩端的端電壓Uce也很高。晶體管必然被擊穿。當(dāng)電路并聯(lián)有續(xù)流二極管VD(如圖1所示),在晶體管VT導(dǎo)通時(shí)，二極管VD左端為止，右端為負(fù)，VD截止;當(dāng)晶體管截止時(shí)。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。左負(fù)右正，VD正向?qū)?，給電動(dòng)機(jī)提供--個(gè)續(xù)流回路，不但可以保護(hù)晶體管，同時(shí)讓電動(dòng)機(jī)電流連續(xù)、轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。

 
  2.工作原理、計(jì)算和選型
  2.1緩沖保護(hù)電路
  如圖1所示，當(dāng)晶體管VT關(guān)斷時(shí)，VT發(fā)射極電流Ie下降，而并聯(lián)緩沖電流I_S給電容C_S先電，充電電流經(jīng)二極管VD_S流通，以減小充電損耗。由于晶體管VT關(guān)斷時(shí)間t_off很短，假定在關(guān)斷過(guò)程中負(fù)載電流I_L不變，并假定Ic線形下降，則   而   在這段時(shí)間內(nèi)電容CS上的充電電壓UCS為   當(dāng)t=toff時(shí)，VT完全關(guān)斷，IC=0，UCS=US，且負(fù)載電流全部轉(zhuǎn)移到續(xù)流二極管VD回路中，因此   利用公式（4）就可以計(jì)算出緩沖電容的容量。
  由公式（1）和（3可以繪出IC=f(t)、UCS=g(t)的曲線如圖2a所示。
  如果忽略VDS上的正向壓降，則在晶體管關(guān)斷過(guò)程中其集電極電壓Uce≈UCS?？梢?jiàn)由于有了緩沖電路，關(guān)斷過(guò)程的Uce是逐漸上升的。將式1和式3聯(lián)立消去時(shí)間變量t，并整理得TV關(guān)斷過(guò)程的工作點(diǎn)移動(dòng)軌跡。   將式5的關(guān)系畫(huà)在伏安特性圖上，如圖2b所示，可以看出此軌跡是很安全的。
  上述的基本緩沖電路在TV關(guān)斷后，由于LS、CS形成震蕩電路，CS將繼續(xù)被充電，Uce≈Ucs將進(jìn)一步升高，最高幾乎達(dá)2US，這樣晶體管和緩沖電容的耐壓都得按高于2US來(lái)選擇。
  電阻RS和晶體管VT構(gòu)成緩沖電容CS的放電回路，其中電阻RS是為了限制CS的放電電流，以免在晶體管VT導(dǎo)通時(shí)CS的放電電流過(guò)大而損壞晶體管。根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，RS的阻值應(yīng)由最大放電電流I’_放和電源電壓US來(lái)決定，即RS=2US/I’_放，而I’_放?。?.1~0.3）IL，電阻的標(biāo)稱功率應(yīng)由其阻值RS和電容的平均放電電流I’_放來(lái)決定。
  快恢復(fù)二極管VDS在緩沖電容CS充電是導(dǎo)通，充電電流全部流過(guò)快恢復(fù)二極管，因此快恢復(fù)二極管的額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流IL；VDS在緩沖電容CS放電時(shí)截止，其承受的方向電壓就是RS上的電壓，約為2US，因此其額定電壓不應(yīng)低于2US。由于流過(guò)VDS的平均電流很小，因此二極管只加上小散熱即可。由于功率晶體管的開(kāi)關(guān)頻率高，如果VDS用普通二極管代替，則會(huì)因其不能快速開(kāi)通而使功率晶體管VT承受過(guò)電壓損壞，又會(huì)因其不能快速關(guān)斷而使VDS過(guò)熱損壞。  
  2.2 直流電動(dòng)機(jī)續(xù)流
  如圖1所示，VD為直流電動(dòng)機(jī)M的續(xù)流二極管。當(dāng)功率晶體管VT導(dǎo)通時(shí)VD截止，電流R經(jīng)過(guò)M流向b，當(dāng)VT截止時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，b端為正，a端為負(fù)，VD正向?qū)?，這樣既可避免電機(jī)的感生電動(dòng)勢(shì)與電源電壓疊加后加在晶體管VT上而損壞VT，又可使電機(jī)的電流連續(xù)，增加電機(jī)的機(jī)械穩(wěn)定性。由于功率晶體管的開(kāi)關(guān)頻率較高，VD如果采用普通整流二極管，當(dāng)VT截止時(shí)，因VD不能及時(shí)導(dǎo)通，VT會(huì)因承受過(guò)電壓而損壞；當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，因VD不能及時(shí)截止，負(fù)載電流IL經(jīng)LS、VT和VD直接流回電源負(fù)極，這樣VT會(huì)因過(guò)電流而損壞，VD也會(huì)因過(guò)熱損壞。因此此處也只能用快恢復(fù)二極管，其額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流IL，方向耐壓因大于電源電壓；由于流過(guò)VD的平均電流較大，因此應(yīng)加裝散熱功率足夠的散熱器，并且要在二極管與散熱器之間涂上導(dǎo)硅脂以利于散熱，二極管要用螺釘緊固在散熱器上。
 
  2.3 型號(hào)參考
  快恢復(fù)二極管的種類較多，常用的大功率管有“MUR”系列、“BYBP”系列、“FEP”等系列，例如：MUR1680的平均整流電流為16安、反向峰值電壓為800伏；MUR3060的平均整流電流為30安、反向峰值電壓為600伏；BYBP50的平均整流電流為8安、反向峰值電壓為500伏；又如FEP30JP的平均整流電流為30安、反向峰值電壓為600伏。具體型號(hào)可以用海飛樂(lè)技術(shù)有限公司的快恢復(fù)二極管。
 
  3. 結(jié)束語(yǔ)
  快恢復(fù)二極管以它顯著的優(yōu)越性，廣泛由于脈寬調(diào)制器、交流電機(jī)變頻調(diào)速器、開(kāi)關(guān)電源、不間斷電源、DC-DC變換器、高頻加熱裝置中，作高頻、高壓、大功率、大電流整流、續(xù)流及保護(hù)用，型號(hào)的選取要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而定，同時(shí)還要根據(jù)二極管發(fā)熱量的大小選取適當(dāng)?shù)纳崞鬟M(jìn)行散熱，一般情況還應(yīng)加裝絕緣墊片絕緣，以確保設(shè)備和人員的安全。



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