抑制功率二極管反向恢復幾種方案的比較

摘要：介紹了開關(guān)電源中常見的二極管反向恢復問題，并以Buck電路為例對解決這一?題常用的幾種方案進行了比較。

    關(guān)鍵詞：二極管；反向恢復；抑制方案

引言

高頻功率二極管在電力電子裝置中的應用極其廣泛。但PN結(jié)功率二極管在由導通變?yōu)榻刂範顟B(tài)過程中，存在反向恢復現(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)。當二極管兩端有正向偏壓，空間電荷區(qū)縮小，當二極管兩端有反向偏壓，空間電荷區(qū)加寬。當二極管在導通狀態(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的幾種方法

為解決功率二極管反向恢復問題已經(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的問題。另一種思路是從拓撲角度出發(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得到軟化。目前，碳化硅二極管尚未大量進入實用，其較高的成本制約了普及應用，大量應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??；當二極管快速正向?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[1]，用飽和電抗器解決二極管反向恢復問題時，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