抑制功率二極管反向恢復(fù)幾種方案的比較
胡進(jìn)，呂征宇
(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）
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)過程中，存在反向恢復(fù)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(bào)道尚不多見。本文以Buck電路為例，對這幾種方案進(jìn)行了比較，通過實(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)，存儲電荷在電場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(fù)的問題。另一種思路是從拓?fù)浣嵌瘸霭l(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(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。
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(shí)，寄生電感中的能量對寄生電容充電，同時(shí)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，其上的電壓就越小；當(dāng)二極管快速正向?qū)〞r(shí)，C1通過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)問題的常用方案
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(xiàn)[1]，用飽和電抗器解決二極管反向恢復(fù)問題時(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：MT12×8×4.5W)繞2匝作飽和電抗器。
對應(yīng)圖3（a）和圖3（b），第Ⅰ階段通過D0的電流很大，電抗器Ls飽和，電感值很小；第Ⅱ階段當(dāng)二極管電流開始下降時(shí)，Ls仍很小；第Ⅲ階段二極管電流反向，反向恢復(fù)過程開始(trr為反向恢復(fù)時(shí)間)，Ls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，Ls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 飽和電抗器對二極管反向恢復(fù)抑制示意
2．3 軟開關(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]。Lk為變壓器漏感。n為變壓器匝比，這里取n=3，其工作過程如圖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 軟開關(guān)工作原理
階段1如圖4(a)所示，開關(guān)S已經(jīng)導(dǎo)通，D0處于反向截止?fàn)顟B(tài)，勵(lì)磁電感Lm與漏感Lk被線性充電。階段2開關(guān)S關(guān)斷，S的寄生電容Cp被充電，該過程很短，可近似看作線性，如圖4(b)所示。階段3D0及Db均導(dǎo)通，如圖4(c)所示。階段4二極管D0中的電流在漏感Lk的作用下逐漸下降為0，如圖4(d)所示。階段5開關(guān)S導(dǎo)通，如圖4（e）所示，支路二極管Db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，uD0≈0，當(dāng)?shù)綀D4(d)狀態(tài)，uD0=－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Ls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，說明3種方案對二極管反向恢復(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)斷過程中電壓波形還有振蕩。串入飽和電抗器對二極管反向恢復(fù)抑制效果最好。
4 結(jié)語
碳化硅的推廣應(yīng)用或許是二極管反向恢復(fù)問題的根本解決途徑。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單有效，有望得到進(jìn)一步推廣。
作者簡介
胡進(jìn)，男，碩士研究生，現(xiàn)從事精密數(shù)控直流電源的研究。
呂征宇，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)從事電力電子中的電磁兼容，智能控制，功率變換器和電力電子器件等方面研究。
