抑制功率二極管反向恢復(fù)幾種方案的比較
關(guān)鍵詞:二極管;反向恢復(fù);抑制方案
引言
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)過程中,存在反向恢復(fù)現(xiàn)象。這會引起二極管損耗增大,電路效率降低以及EMI增加等問題。這一問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、軟開關(guān)電路等開關(guān)軟化方法加以解決,但關(guān)于其效果對比的研究報道尚不多見。本文以Buck電路為例,對這幾種方案進(jìn)行了比較,通過實驗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)散運動,同時由于電場作用存在漂移運動,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,存儲電荷在電場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題,比如碳化硅二極管的出現(xiàn)帶來了器件革命的曙光,它幾乎不存在反向恢復(fù)的問題。另一種思路是從拓?fù)浣嵌瘸霭l(fā),通過增加某些器件或輔助電路來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36V輸入、30V/30A輸出、開關(guān)頻率為62.5kHz電路(如圖1所示)為例,比較了幾種開關(guān)軟化方法。
2.1 RC吸收
這是解決功率二極管反向恢復(fù)問題的常用方法。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,寄生電感中的能量對寄生電容充電,同時還通過吸收電阻R1對吸收電容C1充電。在吸收同樣能量的情況下,吸收電容越大,其上的電壓就越小;當(dāng)二極管快速正向?qū)〞r,C1通過R1放電,能量的大部分將消耗在R1上。
2.2 串聯(lián)飽和電抗器
這是解決這一問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)問題時,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,近年來非晶飽和磁性材料性能有了很大提高。本文選用了東芝公司的非晶材料的磁環(huán)(型號:MT12
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