抑制功率二極管反向恢復(fù)幾種方案的比較

0??? 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(guò)程中，存在反向恢復(fù)現(xiàn)象。這會(huì)引起二極管損耗增大，電路效率降低以及EMI增加等問(wèn)題。這一問(wèn)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(kāi)關(guān)電路等開(kāi)關(guān)軟化方法加以解決，但關(guān)于其效果對(duì)比的研究報(bào)道尚不多見(jiàn)。本文以Buck電路為例，對(duì)這幾種方案進(jìn)行了比較，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于電場(chǎng)作用存在漂移運(yùn)動(dòng)，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(shí)，存儲(chǔ)電荷在電場(chǎng)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(gè)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(wèn)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(wèn)題，比如碳化硅二極管的出現(xiàn)帶來(lái)了器件革命的曙光，它幾乎不存在反向恢復(fù)的問(wèn)題。另一種思路是從拓?fù)浣嵌瘸霭l(fā)，通過(guò)增加某些器件或輔助電路來(lái)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(shí)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(gè)36V輸入、30V/30A輸出、開(kāi)關(guān)頻率為62.5kHz電路（如圖1所示）為例，比較了幾種開(kāi)關(guān)軟化方法。

圖1??? Buck電路

2．1??? RC吸收

??? 這是解決功率二極管反向恢復(fù)問(wèn)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，L_p為引線電感，C_j為結(jié)電容，R_p為并聯(lián)電阻（高阻值），R_s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(shí)，寄生電感中的能量對(duì)寄生電容充電，同時(shí)還通過(guò)吸收電阻R₁對(duì)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(shí)，C₁通過(guò)R₁放電，能量的大部分將消耗在R₁上。

(a)??? 功率二極管電路模型??? (b)??? RC吸收電路

(c)??? 串聯(lián)飽和電抗器??? (d)??? 二極管反向恢復(fù)軟化電路

圖2??? 解決功率二極管反向恢復(fù)問(wèn)題的常用方案

2.2??? 串聯(lián)飽和電抗器

??? 這是解決這一問(wèn)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(wèn)題時(shí)，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(lái)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(hào)：MT12×8×4.5W)繞2匝作飽和電抗器。

??? 對(duì)應(yīng)圖3（a）和圖3（b），第Ⅰ階段通過(guò)D₀的電流很大，電抗器L_s飽和，電感值很小；第Ⅱ階段當(dāng)二極管電流開(kāi)始下降時(shí)，L_s仍很小；第Ⅲ階段二極管電流反向，反向恢復(fù)過(guò)程開(kāi)始(t_rr為反向恢復(fù)時(shí)間)，L_s值很快增大，抑制了反向恢復(fù)電流的增大，這樣就使電流變成di/dt較小的軟恢復(fù)，使二極管的損耗減小，同時(shí)抑制了一個(gè)重要的噪聲源；第Ⅳ階段二極管反向恢復(fù)結(jié)束；第Ⅴ階段二極管再次導(dǎo)通，由于電流增大，L_s很快飽和。

(a)??? 反向恢復(fù)電流波形

(b)??? 飽和電抗器磁化曲線

圖3??? 飽和電抗器對(duì)二極管反向恢復(fù)抑制示意

2．3??? 軟開(kāi)關(guān)電路

??? 圖2（d）為一種有效的二極管反向恢復(fù)軟化電路[2]。L_k為變壓器漏感。n為變壓器匝比，這里取n=3，其工作過(guò)程如圖4所示。

(a)??? 階段1

(b)??? 階段2

(c)??? 階段3

(d)??? 階段4

(e)??? 階段5

圖4??? 軟開(kāi)關(guān)工作原理

??? 階段1如圖4(a)所示，開(kāi)關(guān)S已經(jīng)導(dǎo)通，D₀處于反向截止?fàn)顟B(tài)，勵(lì)磁電感L_m與漏感L_k被線性充電。階段2開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，S的寄生電容C_p被充電，該過(guò)程很短，可近似看作線性，如圖4(b)所示。階段3D₀及D_b均導(dǎo)通，如圖4(c)所示。階段4二極管D₀中的電流在漏感L_k的作用下逐漸下降為0，如圖4(d)所示。階段5開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，如圖4（e）所示，支路二極管D_b中的電流繼續(xù)下降，在S關(guān)斷前下降為0。

??? 圖4(c)中D₀導(dǎo)通，u_D0≈0，當(dāng)?shù)綀D4(d)狀態(tài)，u_D0=－u₂=u₀/(1＋n)，圖5(d)的試驗(yàn)波形驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 圖5給出了各種情況下的二極管D₀的端電壓波形。

(a)??? 無(wú)反向恢復(fù)抑制措施的D₀端壓

(b)??? 并聯(lián)RC吸收后D₀端壓

(c)??? 串入飽和電抗器L_s后D₀端壓

(d)??? 采用軟化電路之后D₀端壓

圖5??? 實(shí)驗(yàn)波形

??? 從圖5波形中可以看到，二極管反向恢復(fù)的電壓毛刺減小，說(shuō)明3種方案對(duì)二極管反向恢復(fù)均有抑制的效果。用RC吸收電路雖然抑制了二極管反向恢復(fù)，但反向恢復(fù)的電壓毛刺與振蕩還比較明顯。采用軟化電路后如前分析，理論上反向恢復(fù)電流應(yīng)該降為零，但由于電路中雜散參數(shù)的影響，二極管關(guān)斷過(guò)程中電壓波形還有振蕩。串入飽和電抗器對(duì)二極管反向恢復(fù)抑制效果最好。

4??? 結(jié)語(yǔ)

??? 碳化硅的推廣應(yīng)用或許是二極管反向恢復(fù)問(wèn)題的根本解決途徑。目前主要采用RC吸收電路。串聯(lián)飽和電抗器以及軟化電路也是抑制二極管反向恢復(fù)的有效方案。理論分析和試驗(yàn)證明，串聯(lián)非晶飽和電抗器最為簡(jiǎn)單有效，有望得到進(jìn)一步推廣。