抑制功率二极管反向恢复导致的尖峰干扰EMI几种方案的比较

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  <p align="center"><font color="#ff0000">抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较</font> </p><p align="center"><font color="#ff0000">胡进，吕征宇</font> </p><p align="center"><font color="#ff0000">(浙江大学电气工程学院，浙江&nbsp;&nbsp;&nbsp; 杭州&nbsp;&nbsp;&nbsp; 310027）</font> </p><p>0&nbsp;&nbsp;&nbsp; 引言 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。 </p><p>1&nbsp;&nbsp;&nbsp; 二极管反向恢复原理 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。 </p><p>2&nbsp;&nbsp;&nbsp; 解决功率二极管反向恢复的几种方法 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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&#46;5kHz电路（如图1所示）为例，比较了几种开关软化方法。 </p><p align="center"><img height="74" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj1&#46;bmp" width="190" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图1&nbsp;&nbsp;&nbsp; Buck电路</font> </p><p>2．1&nbsp;&nbsp;&nbsp; <i>RC</i>吸收 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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，<i>L</i>_p为引线电感，<i>C</i>_j为结电容，<i>R</i>_p为并联电阻（高阻值），<i>R</i>_s为引线电阻。<i>RC</i>吸收电路如图2（b）所示，将<i>C</i>₁及<i>R</i>₁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<i>R</i>₁对吸收电容<i>C</i>₁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，<i>C</i>₁通过<i>R</i>₁放电，能量的大部分将消耗在<i>R</i>₁上。 </p><p align="center"><img height="104" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj2a&#46;bmp" width="203" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">(a)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 功率二极管电路模型&nbsp;&nbsp;&nbsp; (b)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a href="http://www&#46;emchome&#46;net/"><i>RC</i>吸收电路</a></font> </p><p align="center"><img height="91" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj2b&#46;bmp" width="244" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">(c)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 串联饱和电抗器&nbsp;&nbsp;&nbsp; (d)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 二极管反向恢复软化电路</font> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图2&nbsp;&nbsp;&nbsp; 解决功率二极管<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">反向恢复</a>问题的常用方案</font> </p><p>2&#46;2&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">串联饱和电抗器</a> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">铁氧体</a>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&#46;5W)绕2匝作饱和电抗器。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 对应图3（a）和图3（b），第Ⅰ阶段通过D₀的电流很大，电抗器<i>L</i>_s饱和，电感值很小；第Ⅱ阶段当二极管电流开始下降时，<i>L</i>_s仍很小；第Ⅲ阶段二极管电流反向，反向恢复过程开始(<i>t</i>_rr为反向恢复时间)，<i>L</i>_s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>i</i>/d<i>t</i>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，<i>L</i>_s很快饱和。 </p><p align="center"><img height="145" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj3a&#46;bmp" width="190" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">(a)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">反向恢复电流波形</a></font> </p><p align="center"><img height="79" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj3b&#46;bmp" width="100" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">(b)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 饱和电抗器磁化曲线</font> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图3&nbsp;&nbsp;&nbsp; 饱和电抗器对二极管反向恢复抑制示意</font> </p><p>2．3&nbsp;&nbsp;&nbsp; 软开关电路 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 图2（d）为一种有效的二极管反向恢复软化电路[2]。<i>L</i>_k为变压器漏感。<i>n</i>为变压器匝比，这里取<i>n</i>=3，其工作过程如图4所示。 </p><p align="center"><img height="86" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj4a&#46;bmp" width="187" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">(a)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 阶段1</font> </p><p align="center"><img height="86" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj4b&#46;bmp" width="187" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">(b)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 阶段2</font> </p><p align="center"><img height="87" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj4c&#46;bmp" width="187" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">(c)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 阶段3</font> </p><p align="center"><img height="86" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj4d&#46;bmp" width="187" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">(d)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 阶段4</font> </p><p align="center"><img height="87" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj4e&#46;bmp" width="187" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">(e)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 阶段5</font> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图4&nbsp;&nbsp;&nbsp; 软开关工作原理</font> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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<i>L</i>_m与漏感<i>L</i>_k被线性充电。阶段2开关S关断，S的寄生电容<i>C</i>_p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D_b均导通，如图4(c)所示。阶段4二极管D₀中的电流在漏感<i>L</i>_k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_b中的电流继续下降，在S关断前下降为0。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 图4(c)中D₀导通，<i>u</i>_D0≈0，当到图4(d)状态，<i>u</i>_D0=－<i>u</i>₂=<i>u</i>₀/(1＋<i>n</i>)，图5(d)的试验波形验证了这一点。 </p><p>3&nbsp;&nbsp;&nbsp; 实验结果 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 图5给出了各种情况下的二极管D₀的端电压波形。 </p><p align="center"><img height="139" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj5a&#46;bmp" width="181" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">(a)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 无反向恢复抑制措施的D₀端压</font> </p><p align="center"><img height="140" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj5b&#46;bmp" width="181" border="0" /> </p><p align="center"><font color="#0000ff">(b)&nbsp;&nbsp;&nbsp; <a>并联<i>RC</i>吸收</a>后D₀端压</font> </p><p align="center"><img height="140" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj5c&#46;bmp" width="181" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">(c)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 串入饱和电抗器<i>L</i>_s后D₀端压</font> </p><p align="center"><img height="144" src="http://www&#46;china-power&#46;net/psta/dzkw/408/tu/hj5d&#46;bmp" width="181" border="0" /></p><p align="center"><font color="#0000ff">(d)&nbsp;&nbsp;&nbsp; 采用软化电路之后D₀端压</font> </p><p align="center"><font color="#0000ff">图5&nbsp;&nbsp;&nbsp; 实验波形</font> </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 从图5波形中可以看到，二极管反向恢复的<a>电压毛刺</a>减小，说明3种方案对二极管反向恢复均有抑制的效果。用<i>RC</i>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。 </p><p>4&nbsp;&nbsp;&nbsp; 结语 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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<a><i>RC</i>吸收</a>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。 </p><p>作者简介 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 胡进，男，硕士研究生，现从事精密数控直流电源的研究。 </p><p>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。</p>

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