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在RCD钳位电路中二极管D的选择(一)

2017-1-1 22:52| 发布者: 小编辑| 查看: 171| 评论: 0

摘要:   最近有朋友对RCD钳位电路中二极管D的选择产生了疑问。虽然二极管对大家来说并不陌生,但是其在RCD钳位电路中的应用却少有人讨论。于是专门针对这个问题动手进行了一些实验和求证,得出了一些理论和实际经验,今 ...

  最近有朋友对RCD钳位电路中二极管D的选择产生了疑问。虽然二极管对大家来说并不陌生,但是其在RCD钳位电路中的应用却少有人讨论。于是专门针对这个问题动手进行了一些实验和求证,得出了一些理论和实际经验,今天就拿出和大家分享一下。


  计算误差大的其中一个原因是二极管的开关速度不够快(即便是快速恢复二极管)。各大IC公司的公式大都是基于这样一个假设-即二极管是理想的开关,正向导通时间是0,反向恢复时间也是0。于是由初级漏感而引起的所有的能耗都消耗在了电阻Rsn上。由这个公式计算出来的电阻数值比起实际的参数通常要小很多。


  大家可能会有这样的经验-选择越慢的二极管(反向恢复时间长),则这个计算的误差就越大。 比如说在谈谈RCD的计算结果为何与实验参数出入很大中的例子里,用的是反向恢复实际只有75nS的超快恢复二极管UF4007。 假如用恢复速度慢些的二极管,那么情况会大不一样了。现在有的线路中使用开关速度很慢1N4007。在之前没有提到用慢速二极管而造成的计算误差,是因为如果使用1N4007,那么就不用算了。因为误差会大到“计算本身完全失去了意义”。给大家一个直观的例子-在上个帖子的例子中计算出的电阻数值是33K,如果二极管用1N4007的话,实际上270K的电阻就可以了。


  说起二极管的开关特性,大家都会想到“二极管的反向恢复时间”。这也是衡量一个二极管开关速度的主要参数。大家对此都很熟悉。不过,下面我想先谈谈二极管的正向恢复时间。


  对于“二极管正向恢复时间”,好像关心的人很少。让我们先来看一下反激电源MOS管Vds的波形。一般的RCD计算的资料中的图形是这样的:

  



  上面的波形是理想的样子,把二极管看成了一个理想的开关。很多讲RCD计算的AN里都是这样的。而实际上的波形会有些不同,比如说我之前的帖子中的例子。波形是下面的样子:

  



  实际的波形非但远没有理想的波形漂亮,还有一个很高的尖峰。这个尖峰超过50-60V。单凭这一点计算公式就有了很大误差了。


  下面的图中-蓝色的是二极管UF4007的正极波形,黄色是二极管的负极。

  



  由图中看到二极管在Vds上升后,并没有能很快地导通。在开始的几十至一百ns内,二极管的正向导通电压有几十V之多。几十V的正向电压-换句话说也就是二极管没有导通。


  后来终于也有人开始正视这个问题了,比较近期的资料上已经清楚的标出了这个由于二极管正向导通延时而造成的尖峰。

  



  大多数的二极管制造商都不会在datasheet中给出这个“正向恢复时间”的参数。于是大家也一直觉得相对于反向的恢复时间,正向导通是相当快的,可以忽略不计。事实上,在某些快速开关的场合,这个参数还是要考虑的。


  在MUR260的规格书中给出的正向恢复时间是50ns。看来比UF4007要快。

  



  这里并不想深入讨论“正向恢复”这个参数。由于这个参数会对RCD的线路多少有些影响,所以想比较一下不同开关速度的二极管的正向导通特性的差异。以下的例子中还是用“谈谈RCD的计算结果为何与实验参数出入很大”中的反激电源为例。


  反激电源工作在DCM模式——变压器PQ3230:


  初级电感 Lp = 205uH;


  初级漏感 Llk = 5.5uH (@ 1KHz); 用LC谐振的方法测得: Llk = 2.1uH


  开关频率 fs = 76KHz


  初级电流 Ipeak = 3.13A (输出 12.4V / 5A)


  钳位电压 Vsn = 210V


  反射电压 Vor = 85V ; Vin = 140V

  



  上图中是用三种不同开关速度(反向恢复时间)的二极管UF4007、FR107和1N4007来作比较。可以发现其正向恢复时间是差不多的。如果真的要仔细比较的话,那么UF4007好像要导通的稍微慢一点儿。


  上面各波形对应的RCD参数如下:

  



  那么如果电阻Rsn =39K和电容Csn = 10nF不变,而只改变二极管呢?

  



  由上面的图中看出-钳位电压Vsn随着二极管的反向恢复时间的加长而显著下降。


  使用反向恢复时间长的二极管(其作用):


  第一、可以使钳位电压Vsn降低。


  第二、1N4007不但能降低Vsn,还大大降低了初级漏感Llk与MOS管Coss谐振的幅度(有利于改善EMI)。


  看一看实验中的这几种最常用的的二极管的反向恢复时间。

  



  对于UF4007和FR107,看了一些厂家的datasheet,其反向恢复时间是完全一样的。然而,1N4007就不同了。像Good Ark的1N4007,反向恢复时间Trr只有2us(还是比较快的),但通用半导体的1N4007有30us之多。还有的厂家没有注明反向恢复时间的,可能比30us还要长。


  所以PI的资料中讲,不要用没有标明反向恢复时间的1N4007。上面实验中用的1N4007,我手上没有规格书。无从知道反向恢复时间Trr是多少,只能自己测一下了。

  



  我用的数值和上图中的参数不是完全一样,但接近。

  



  由于开关的原因,有些noise。但不影响测量。

  



  实际测得的反向恢复时间大概是2us, 还不错。按照上面的线路图搭就行了。


  第一 、先把左边的电源接通,让二极管正向导通。导通电流1A左右。如果没有50V的电源,用30V也行。相应地调整下电阻阻值。


  第二、然后接通右边的反向电压源。由于二极管的反向延迟,并不能马上截止。所以,这时候二极管相当于是在一定时间内,反向导通的。调整右边电源的电压(及电阻),使最大的反向电流是1A左右。


  第三、得到类似上面的电流波形。由反向电流开始建立到电流下降到最大电流的25%的这段时间,就是反向恢复时间Trr。


  下面来看看反向恢复时间Trr为什么会对RCD 的钳位电压有影响。

  



  图中蓝色线为二极管UF4007(+)的电压波形,也就是Vsn。黄色线为二极管(-),或者说是电容 Csn上的电压。(示波器的地接Vin)

  



  第一、图中二极管正向导通后对电容Csn充电,至A点充电完成。之后二极管正极电压开始低于负极电压,二极管反向。


  第二、由于UF4007的反向恢复时间有75ns,在这段时间内二极管可以看成一个动态变化的电阻(阻值由小变大)。图中的黄色线,实际上是电容Csn上的电压。可以看出在A点到B点的这段时间,电容上的电压有明显的下降,也就是放电。


  第三、这个放电的速度比通过电阻Zsn的正常放电速度要快很多。显然,是通过二极管放的电。


  上面的例子里用的是超快恢复的UF4007,可以想见如果是慢些的FR107,或者更慢的1N4007,那么放电是时间会更长、等效的动态电阻也越小 。钳位电压Vsn自然要更低了。(未完待续)




来源链接: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3OTIwODcyNQ==&idx=1&mid=200347126&sn=bca40b396c5cc611caf123eea19cb2b0

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