抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较.doc

抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较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，通过实验及仿真得出有用的结论。1 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。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。图1 Buck电路21 RC吸收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。(a) 功率二极管电路模型 (b) RC吸收电路(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(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：MT1284.5W)绕2匝作饱和电抗器。对应图3（a）和图3（b），第阶段通过D0的电流很大，电抗器Ls饱和，电感值很小；第阶段当二极管电流开始下降时，Ls仍很小；第阶段二极管电流反向，反向恢复过程开始(trr为反向恢复时间)，Ls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di/dt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；第阶段二极管反向恢复结束；第阶段二极管再次导通，由于电流增大，Ls很快饱和。 (a) 反向恢复电流波形(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23 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2。Lk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。(a) 阶段1(b) 阶段2 (c) 阶段3 (d) 阶段4 (e) 阶段5阶段1如图4(a)所示，开关S已经导通，D0处于反向截止状态，励磁电感Lm与漏感Lk被线性充电。阶段2开关S关断，S的寄生电容Cp被充电，该过程很短，可近似看作线性，如图4(b)所示。阶段3D0及Db均导通，如图4(c)所示。阶段4二极管D0中的电流在漏感Lk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Db中的电流继续下降，在S关断前下降为0。图4(c)中D0导通，uD00，当到图4(d)状态，uD0=u2=u0/(1n)，图5(d)的试验波形验证了这一点。3 实验结果图5给出了各种情况下的二极管D0的端电压波形。(a) 无反向恢复抑制措施的D0端压(b) 并联RC吸收后D0端压图4 软开关工作原理 (c) 串入饱和电抗器Ls后D0端压(d) 采用软化电路之后D0端压图5 实验波形 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RC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影响，二极管关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