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快速恢复二极管额定值和特性对其应用的影响

作者:海飞乐技术 时间:2016-12-15 11:40

一、额定值和特性
  二极管由反向阻断转变为正向导通的过程称之为正向恢复,由正向导通转变为反向阻断的过程称之为反向恢复。由于恢复时间特别是反向恢复时间的存在,限制了二极管的工作频率,也增加了二极管的动态损耗,在一些应用电路中,还造成电力电子开关器件承受极大的浪涌电流和浪涌电压。因此,快速恢复二极管成为实现电力电子装置高频化的一个重要器件。
  图1a是二极管正向恢复过程,二极管正向导通时正向管压降先从零升至最大值UFP然后回落至规定值,tFn定义为正向恢复时间。在实际电路中,由于电路电感量不同造成二极管正向电流上升率di F/dt也不同。图1b给出diF/dt对tFR和UFP的影响。

图1二极管的正向恢复特性 a)正向恢复过程  b)di F/dt对正向恢复过程的影响 
图1二极管的正向恢复特性
a)正向恢复过程  b)di F/dt对正向恢复过程的影响
 
  二极管的反向恢复特性如图2所示。
图2 二极管的反向恢复特性 
图2 二极管的反向恢复特性
  通常把trrb较短的恢复过程称为硬恢复,把较长的恢复过程称为软恢复,并定义反向恢复特性的软度(Softness)或快捷度(Snappiness)St=trrb/trra。
  一般二极管trr为2~10µs可用于高频整流,trr小于1µs可适配双极型器件或IGBT应用于逆变电路。用外延法制造的二极管trr可小于50ns,被称为超快恢复二极管。
  JB/T 5836-1991规定了ZK系列5A~500A快恢复整流管,其特性见图3。图4为三菱电机公司F系列RM200DA-20F、RM200DA-24F快恢复二极管的额定值和特性。

图3  ZK5-500型快恢复整流管特性 
图3  ZK5-500型快恢复整流管特性
图4  RM200DA-20F、RM200DA-24F额定值和特性 
图4  RM200DA-20F、RM200DA-24F额定值和特性
  图5a为Irr、Qrr和trr随正向电流IF变化的特性曲线,图5b为Irr、Qrr和trr随-di/dt变化的特性曲线。另外由图可见,当Tj增加时,Irr、Qrr和trr均有明显的增加。
图5  RM200DA-20F、RM200DA-24F特性曲线 
图5  RM200DA-20F、RM200DA-24F特性曲线
a) Irr、Qrr和trr随正向电流IF变化曲线(典型)  b)Irr、Qrr和trr随-di/dt变化曲线(典型)
 
  二、快恢复二极管应用要点
  1.正向恢复过程的影响

  1)二极管的正向恢复过程常常被忽视。在图6中作为缓冲二极管使用时,若UFP过大使VDs不能迅速导通,则缓冲电路就失去了作用。
图6 二极管在开关中的使用 
图6 二极管在开关中的使用
 
  2)由于耐压较高的二极管比耐压较低的二极管正向UFP高、tFP也长,因此在低压高频整流电路中,尽可能使用低耐压的二极管,以避免过长正向恢复过程限制了电路的输出。
 
  2.反向恢复过程的影响
  1)高频整流电路中,在反向恢复时间内二极管反向导通会造成有负电压波形输出,这使整流输出电压平均值下降。例如在工作频率为20kHz的整流电路中,使用trr为5µs的二极管,则会使输出电压平均值下降约10%。
 
  2)在带感性负载的半桥电路中,续流二极管的反向恢复电流会流过刚开通的开关器件(如IGBT),造成大的反向恢复浪涌电流。续流二极管的硬恢复又会使与之并联的开关器件承受大的关断浪涌电压。因此应选用trr小,又有一定软度的所谓软快恢复二极管作高频开关的续流二极管。在三菱U系列IGBT中就使用了软快恢复二极管续流。
 
  3)二极管串联使用时,其反向阻断时的动态均压基本上取决于反向恢复特性(Irr、Qrr和trr的一致性。必须采用各个二极管并联电容器等动态均压措施,否则因trr小而先恢复的二极管瞬间将承受串联总电压。
 
  4)即使是快恢复二极管,其恢复期间造成的功率损耗也不应被忽略,在不同电路中损耗大小不同,但计算二极管总损耗时都应予以考虑。




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