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
2.1 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:mt12×8×4.5w)绕2匝作饱和电抗器。
对应图3(a)和图3(b),第ⅰ阶段通过d0的电流很大,电抗器ls饱和,电感值很小;第ⅱ阶段当二极管电流开始下降时,ls仍很小;第ⅲ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ⅳ阶段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,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
2.3 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
图4 软开关工作原理
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,ud0≈0,当到图4(d)状态,ud0=-u2=u0/(1+n),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
(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二极管反向恢复问题的根本解决途径。目前主要采用rc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。
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