抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较.pdf

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1、第 7 卷第 8 期 2 0 0 4年 8月 鼋 泛 技 左 阉 POWE R S UP P L Y T ECHNOL OGI E S AND AP P L I CA TI ONS Vo 1 7 No 8 Au g u s t 2 0 0 4 抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较 胡 进 ， ( 浙江大学电气工程学院， 吕征 宇 浙 江杭 州 3 1 0 0 2 7 ) 摘 要 ： 介绍了开关电源中常见的二极管反向恢复问题 ， 并以 B u c k电路为例对解决这一问题常用 的几种 方案进行 了比较 。 关键词 ： 二极管； 反向恢复； 抑制方案 Co mp a r i s o n o f S

2、 e v e r a l M e t h o d s o f So l v i ng Re c t i fie r Re v e r s e r e c o v e r y Pr o b l e m HU J i n ，L U Z h e n g y u ( C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7 C h i n a ) Ab s t r a c t

3、： T h e r e c t i fi e r r e v e r s e r e c o v e r y , p r o b l e m i n s wi t c h i n g p o w e r s u p p l y i s i n t r o d u c e d ， a n d s o me me t h o d s o f s o l v i n g i t r e a l i z e d i n Bu c k c i r c u i t a r e c o mp a r e d Ke y wo r d s ： d i o d e ；r e v e r s e r e e o v

4、 e D T ；s u p p r e s s i o n me t h o d 中图分类号： T M 4 6 文献标识码 ： A 文章编号： 0 2 1 9 2 7 1 3 ( 2 0 0 4 ) 0 8 0 4 7 6 0 4 0 引言 高频功率二极管在电力电子装置中的应用极 其广泛。 但 P N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E MI 增加等问题。 这一 问题在大功率电源中更加突出。常用 R C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

5、B u c k电路为例 ， 对这几种方案进行 了 比较 ， 通过实验及仿真得 出有用的结论。 1 二极管反向恢复原理 以普通 P N结二极管为例，P N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 P N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。 收稿 日期 ： 2 0 0 40 30 9 4 7 6 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。 2 解决功率二极管反向恢复的几种方法 为解决功率二极管反向恢复问

6、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 3 6 V输入、 3 0 V 3 0 A输出、 开关频率 为6 2 5 k H z 电路 ( 如图 1 所示) 为例， 比较了几种 开关软化方法。 2 1 R C吸收 这是解决功率二极管反向恢复问题 的常用方

7、法。在高频下工作的功率二极管，要考虑寄生参 维普资讯 保护电路 抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较 1 1 l l 一 上 一 D。 、 。 l 图 1 B u c k电路 数。图 2 ( a ) 为电路模型， 其中 D为理想二极管 ， 为引线电感 ，C j 为结电容， 为并联 电阻 ( 高阻 值) ， R 为引线电阻。 R C吸收电路如图 2 ( b ) 所示， 将 c 。 及 R 。 串联后并联到功率二极管 D 。 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 。 对 吸收电容 c 。 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

8、小；当二极管快速正向导通时，c 。 通过 R 。 放电， 能量的大部分将消耗在 上。 ( a ) 功率二极管电路模型 ( b ) R C吸收电路 I 太 D。 厶 k 一 1_ =，。 D。 对应图 3 ( a ) 和图 3 ( b ) ， 第 1 阶段通过 D 。 的电 流很大 ， 电抗器 饱和， 电感值很小； 第 阶段当 二极管电流开始下降时 ， 仍很小 ； 第阶段二极 管电流反向， 反向恢复过程开始 ( t 为反向恢复时 间) ， 值很快增大， 抑制了反向恢复电流的增大， 这样就使电流变成 d i d t 较小的软恢复 ，使二极 管的损耗减小 ， 同时抑制了一个重要的噪声源 ； 第 阶段

9、二极管反向恢复结束 ；第 V阶段二极管再 次导通， 由于电流增大 ， 很快饱和。 ( C ) 串联饱和电抗器 ( d ) 二极管反向恢复软化 电路 图2 解决功率二极管反向恢复问题的常用方案 2 2 串联饱和电抗器 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 ( F e r r i t e ) 磁环和非晶合 金 ( A m o r p h o u s )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

10、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： M T 1 2 X 8 X 4 5 w) 绕 2匝作饱和电抗器。 l ： ： ； t o ， I ， 2 l ( a ) 反向恢复电流波形 4 厂 ， l V I ， ( b ) 饱 和 电抗 器磁 化 曲线 图 3 饱和电抗器对二极管反向恢复抑制示意 软开关电路 图 2 ( d ) 为一种有效的二极管反向恢复软化电 路 1 。L 为变压器漏感。n为变压器匝比， 这里取 n = 3 ， 其工作过程如图 4所示。 阶段1如图 4 ( a )所示 ，开关 S已经导通 ， D 。 处于反向截止状态 ， 励磁电感 与漏感 被 线

11、性充电。阶段 2开关 S关断 ， S的寄生电容 c 被充电，该过程很短 ，可近似看作线性，如图 4 ( b ) 所示 。阶段 3 D 。 及 D 均导通， 如图 4 ( C ) 所 示。阶段 4二极管 D 。 中的电流在漏感 的作用 下逐渐下降为 0 ， 如图 4 ( d ) 所示。阶段 5 开关 S 导通 ， 如图 4 ( e ) 所示， 支路二极管 D 中的电流继 续下降， 在 S 关断前下降为 0 。 图 4 ( c ) 中 D 。 导通， U o o 0 ， 当到图4 ( d ) 状态 ， M 。 。 =一M =u o ( 1 +n ) ， 图 5 ( d ) 的试验波形验证 了这 一

12、点。 4 7 7 维普资讯 第 7 卷第 8 期 2 0 0 4年 8月 鼋 涤 挂 应 阙 POW ER S UP P L Y I 1 E CHN0L0CI E S AND AP P L I CAT I ONS Vo 1 7 N o 8 Au g u s t 2 0 0 4 3 实验结果 ( e ) 阶段 5 图 4 软开关工作原理 图 5给出了各种情况下的二极管 D o 的端电 压波形。 从图 5波形中可以看到，二极管反向恢复的 电压毛刺减小，说明 3 种方案对二极管反向恢复 均有抑制的效果。用 R C吸收电路虽然抑制了二 极管反向恢复，但反 向恢复的电压毛刺与振荡还 4 7 8 、 I厂

13、 I L L - J j r l r J V 局部放大 2 0( V d i v 5 u s d i v 。 “ 。、 。 ， 1 f 1 n ， h A l 一 1 儿 V V V V l 1 0 T T 2 0 OV d i v O 2 1a s d i v ( a ) 无反 向恢复抑制措施的 D 。 端压 J n I J I L I J L J I J l I 局部放 人图 2 0 O V d i v 5 1a s d i v 7 1 f 一 I 2 0 0 V d i v 0 2 1a s d i v ( b ) 并联 R C吸收后 D 。 端压 n I n 兀 J l J I l ，

14、 局部放人图 2 0 0 V d i v 5 1a s d i v 2 0 0 V d i v O 2 a s d i v ( c ) 串入饱和电抗器 后 D o 端压 l l r f ， I J l L J I- f L l r I f r l l 局部放大图 2 0 一 V d i v 5 l a s d i v I ， 、 、 一 l l 一， 一 V ( d ) 采用软化 电路之后 D o 端压 图 5 实验 波形 比较明显。 采用软化电路后如前分析， 理论上反向 恢复电流应该降为零，但由于电路中杂散参数的 维普资讯 保护毫路 抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较 一 影响， 二极管关

15、断过程中电压波形还有振荡。 串入 饱和电抗器对二极管反向恢复抑制效果最好。 4 结语 碳化硅的推广应用或许是二极管反向恢复问 题 的根本解决途径 。 目前 主要采用 R C吸收电 路 。串联饱和电抗器以及软化电路也是抑制二极 管反向恢复的有效方案。 理论分析和试验证明， 串 联非晶饱和电抗器最为简单有效 ，有望得到进一 步推广。 参考文献 【 1 A r a k a w a O，Y a m a d a T ， Hi r a ma t s u R Ma g n e t i c S n u b b e r Us i n g Amo r p h o u s S a t u r a b l e Re

16、a c t o r 。_ Amo rph o u s B e a d s 【 A A p p l i e d P o w e r E l e c t r o n i c s C o n f e r e n c e a n d E x p o s i t i o n ， A P E C 8 8 【 C ， 1 9 8 8 【 2 Z h a o Q u n ，T a o F e n g f e n g ，X u P e n g e t a 1 A S i mp l e a n d Ef f e c t i v e Me t h o d t o Al l e v i a t e t h e R e

17、 c t i f i e r Re v e r s e - Re c o v e r y P r o b l e m i n Co n t i n u o u s - Cu r r e n t - Mo d e B o o s t C o n v e r t e r s 【 A C P E S 2 0 0 0 A n n u a l S e mi n a r 【 C ， 2 0 0 0 【 3 】 T OS HI B A A m o rph o u s Ma g n e t i c P a rt s产 品手册 【 z C o p y r i g h t 2 0 0 2，T OS HI BA C

18、o rp o r a t i o n Al l Ri g h t s Re s e r v e d ，P r i n h t e d i n J a p a n 作者简介 胡 进 ， 男， 硕士研究生， 现从事精 密数控直流电源的 研 究。 吕征宇， 男， 博 士， 教授 ， 博士生导师， 现从事电力电子 中的电磁兼容，智能控制 ，功率变换器和电力电子器件等 方 面研 究。 辛 卑 i 模块化U P S大有可为 l j 今年6 月， 以 色列U P S 电 源厂商伽玛创力P O W E R+ 是标准的模块化设计， 各主要 ：；( G a m a t r o n i c ) 携第六代电源产品模块

19、化U P S 正 构成部分， 包括系统控制器、 静态开关以及 j 式进人中国 市场。 U P S 功率模块都是内置冗余的智能型独立个 ：I 一方面，由于中国经济发展迅速 ， 用户对 体 ， 甚至可以单独运作 ，即使系统产生故障， 3 关键业务系统的保护需求迫切， 另一方面， 当 ： 前电力供应紧张 ， 中国 U P S 市场再次面临一次 j 难得的发展机遇。 据统计， 2 0 0 4 年中国U P S 市 ： 场的销售额将超过2 5 亿美元。在此背景下， j 伽玛创力宣布进入中国市场， 欲凭借先进的技 j 术和对行业需求的准确把握， 要在逐渐细分出 ： l来的模块化 U P S市场占得先机。

20、j U P S 产品的发展有一个不断进化的过程， 也 不 会 影 响 到 U P S系 统 的运 作 和 输 出 。 P O WE R+的电池组由系统中所有的 U P S 模块 共享 ， 并可按用户需求使用单一电池组或并联 多组电池以增加系统备用时间， 同时实现了电 池的冗余。P O WE R+ 的特色在于 ，1 1 0个 U P S模块可随着扩充至 1 0 0 k V A的总额定容 量 ； 它具有功能强大的系统控制器 ， 并内置完 善的电源分析仪及 T C P I P通信接 口，还可以 ： I 从最早的机械式 、 电磁式产品 ， 逐渐过渡到采 选配无线传输装置 ， 利用手机短信对 U P S

21、 进行 ； 用P W M技术、 大功率三 极管的阶 段， 再到数字 监控； 它是一个环保的电源系统， 输入总谐波 ： 化U PS， 及至目 前， 模块化U P S 已经成了未来 失真( T H D I ) 只有5 ， 在线性负载条件下， 输 # 的 发展趋势。 P O W E R + 为 并联冗余U P S 系统， 出总 谐波失真( T H D ) 低于2 。 由系 统控制器、 静态开关( S T S W) 以 及1 1 0 除了产品的 技术特色， 伽玛创力引以 为豪 # i 个额定容量为1 0 k V A的U P S 功率模块组成。 的 另一方面是对行业需求的把握， 以 及对服务 j 因 此

22、， P O W E R + 的系 统结构极具弹性， 依用户 的 重视。除了 通用的U P S 产品， 伽玛创力在针 ： 的需求增加所需的U P S 电源模块即可实现扩 对医疗或电信等特殊用途的U P S 产品方面也 j 展。 采用U P S 模块化设 计的优势是， 用户可以 积累了丰富的经验。伽玛创力进入中国市场 l ： 在系统运行时随意移除或安装功率模块而不 后 ， 将首先在 电力和电信两个细分行业市场实 影响 系 统的 运 作和 输出 。 现突 破 。 ； 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 卡竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 竹 1 1 1 十 维普资讯