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抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较

归档日期:04-26       文本归类:反向恢复      文章编辑:爱尚语录

  摘要:介绍了开关电源中常见的二极管反向恢复问题,并以Buck电路为例对解决这一?题常用的几种方案进行了比较。

  高频功率二极管在电力电子装置中的应用极其广泛。但PN结功率二极管在由导通变为截止状态过程中,存在反向恢复现象。这会引起二极管损耗增大,电路效率降低以及EMI增加等问题。这一问题在大功率电源中更加突出。常用RC吸收、串入饱和电抗器吸收、软开关电路等开关软化方法加以解决,但关于其效果对比的研究报道尚不多见。本文以Buck电路为例,对这几种方案进行了比较,通过实验及仿线二极管反向恢复原理

  以普通PN结二极管为例,PN结内载流子由于存在浓度梯度而具有扩散运动,同时由于电场作用存在漂移运动,两者平衡后在PN结形成空间电荷区。当二极管两端有正向偏压,空间电荷区缩小,当二极管两端有反向偏压,空间电荷区加宽。当二极管在导通状态下突加反向电压时,存储电荷在电场的作用下回到己方区域或者被复合,这样便产生一个反向电流。

  为解决功率二极管反向恢复问题已经出现了很多种方案。一种思路是从器件本身出发,寻找新的材料力图从根本上解决这一问题,比如碳化硅二极管的出现带来了器件革命的曙光,它几乎不存在反向恢复的问题。另一种思路是从拓扑角度出发,通过增加某些器件或辅助电路来使功率二极管的反向恢复得到软化。目前,碳化硅二极管尚未大量进入实用,其较高的成本制约了普及应用,大量应用的是第二种思路下的软化电路。本文以一个36V输入、30V/30A输出、开关频率为62.5kHz电路(如图1所示)为例,比较了几种开关软化方法。

  这是解决功率二极管反向恢复问题的常用方法。在高频下工作的功率二极管,要考虑寄生参数。图2(a)为电路模型,其中D为理想二极管,Lp为引线电感,Cj为结电容,Rp为并联电阻(高阻值),Rs为引线电阻。RC吸收电路如图2(b)所示,将C1及R1串联后并联到功率二极管D0上。二极管反向关断时,寄生电感中的能量对寄生电容充电,同时还通过吸收电阻R1对吸收电容C1充电。在吸收同样能量的情况下,吸收电容越大,其上的电压就越小;当二极管快速正向导通时,C1通过R1放电,能量的大部分将消耗在R1上。

  这是解决这一问题的另一种常用方法,如图2(c)所示。一般铁氧体(Ferrite)磁环和非晶合金(Amorphous)材料的磁环都可以做饱和电抗器。根据文献[1],用饱和电抗器解决二极管反向恢复问题时,常用的锰锌铁氧体有效果,但是能量损失比非晶材料大。随着材料技术的进展,近年来非晶饱和磁性材料性能有了很大提高。本文选用了东芝公司的非晶材料的磁环(型号:MT12

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