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，L_p为引线电感，C_j为结电容，R_p为并联电阻（高阻值），R_s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L_s饱和，电感值很小；第Ⅱ阶段当二极管电流开始下降时，L_s仍很小；第Ⅲ阶段二极管电流反向，反向恢复过程开始(t_rr为反向恢复时间)，L_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，L_s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]。L_k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L_m与漏感L_k被线性充电。阶段2开关S关断，S的寄生电容C_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L_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。

    图4(c)中D₀导通，u_D0≈0，当到图4(d)状态，u_D0=－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L_s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。