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用于反激电路的超快恢复二极管
接线图
2024年01月26日 10:52 143
admin
对于速度和开关时间是一个重要因素的应用，使用满足您所需的快速反应时间的组件非常有帮助。此类应用可能多种多样，从焊接在 PCB 中的小型电路到大型制造机器，其中时间表是决定成败的因素。
PC 和电信市场的最新发展现已将电力电子开关频率从线路频率扩展到 MHz 范围。这一趋势导致了电子开关元件技术的相应增长，例如电源整流器和电源开关。在这些开关频率下，超快速功率整流器性能非常重要。它要求二极管具有低恢复电荷和软恢复特性以及低正向压降和快速导通。本应用笔记的目的是讨论影响电路的二极管参数，以便设计可靠的电源。
为了列举二极管参数对电路性能的影响，本应用笔记以使用 MAX1856 的反激电路为例。第一部分简要描述了此处用作示例的反激电路。第二部分讨论了影响电路中开关瞬态的重要二极管参数、输出二极管处缓冲电路的设计以及整流器的导通、开关和反向阻断对总体功耗的贡献。快速整流器的制造商可能会列出第二部分中讨论的全部或仅部分参数。第三节也是最后一节讨论了该电路中四种不同二极管的性能。这表明了一种评估应用电路中不同二极管性能的方法。
MAX1856 反激电路
MAX1856 (图 1) 采用反激配置，通过 12V 输入为用户线路接口卡 (SLIC) 供电。-90V/0.32A 输出用于振铃功能，-30V/0.15A 输出用于通话电池。
二极管波形和特性
快速整流二极管使用引脚结构的一些变化。从导通状态到阻断状态的转变需要有限的时间。这称为二极管的反向恢复时间 (trr)。这可以进一步分为时间 ta，在阻断电压之前去除载流子（通过二极管的电流在短时间内反向），以及时间 tb，在此期间二极管电压变为负值变化率 dVR/dt。为了减少正向压降，增加注入意味着需要从本征区域去除更多电荷，然后二极管才能阻止电压。因此，这将对反向恢复时间产生不利影响。快恢复整流器制造商通常会尝试找到这两个要求的最佳权衡。
IRRM = (dIF/dt) × ta
然后，反向电流通过在时间 tb 内以 dIR/dt 的速率复合而减小。反向恢复电荷量由下式给出
QRR = (IRRM × trr)/2
其中 trr = ta + tb
一些整流器数据表可能定义软度系数 S，其中
S = (ta/tb)
二极管电压现在以与 dIR/dt 成比例的速率变为负值。在二极管恢复期间，由于变压器次级中的寄生电感 LLS，电流的这种变化将导致反向电压过冲。峰值反向电压 VRRM 由下式给出
VRRM = LLS × dIR/dt
缓冲器设计
寄生二极管自电容 CD 由下式给出
CD = (IRRM × trr)/(2 × VRRM)
该寄生电容 CD 与变压器次级中的寄生电感 LLS 谐振，并在电流检测信号和一般应用电路中引起噪声问题。为了抑制这种振铃，可以在图 1 中的次级整流器 (D2) 的阴极处使用 RC 缓冲器（缓冲器放置在该整流器处，因为该输出所需的输出功率最大）。缓冲器元件值 R5 和 C10 由下式给出（见图 1）
R5 = √ (LLS/CD) 且 C10 = 3 × CD 或 C10 = 4 × CD
整流器功耗
最后，考虑不同工作模式下整流器的功耗。在开关接通期间，能量被积聚并存储在变压器中。在此期间，整流器处于截止状态。阻塞状态下的损失可以表示为
PR = IR × VR × D
其中IR是二极管的反向漏电流，VR是二极管两端的反向电压，D是占空比。
在此周期结束时，开关关闭，能量转移到输出。二极管现在开始导通，二极管中消耗的功率为
PF = IF × VF × (1-D)
其中 IF 是二极管中的正向电流，VF 是二极管上的正向压降。
在此周期结束时，二极管关闭并进入阻断状态。从导通状态转换到阻断状态期间的功耗由下式给出
Prec = VRRM × IRRM × 0.5 × f × tb
其中IRRM是峰值反向恢复电流，VRRM是峰值反向电压，f是开关频率。
PC 和电信市场的最新发展现已将电力电子开关频率从线路频率扩展到 MHz 范围。这一趋势导致了电子开关元件技术的相应增长，例如电源整流器和电源开关。在这些开关频率下，超快速功率整流器性能非常重要。它要求二极管具有低恢复电荷和软恢复特性以及低正向压降和快速导通。本应用笔记的目的是讨论影响电路的二极管参数，以便设计可靠的电源。
为了列举二极管参数对电路性能的影响，本应用笔记以使用 MAX1856 的反激电路为例。第一部分简要描述了此处用作示例的反激电路。第二部分讨论了影响电路中开关瞬态的重要二极管参数、输出二极管处缓冲电路的设计以及整流器的导通、开关和反向阻断对总体功耗的贡献。快速整流器的制造商可能会列出第二部分中讨论的全部或仅部分参数。第三节也是最后一节讨论了该电路中四种不同二极管的性能。这表明了一种评估应用电路中不同二极管性能的方法。
MAX1856 反激电路
MAX1856 (图 1) 采用反激配置，通过 12V 输入为用户线路接口卡 (SLIC) 供电。-90V/0.32A 输出用于振铃功能，-30V/0.15A 输出用于通话电池。
SLIC 电源原理图。
MAX1856电流模式PWM控制器采用反相反激式配置来产生SLIC电源所需的相对较高的负电压。PWM 模式控制器采用固定频率电流模式操作，其中占空比由输入输出电压比和变压器匝数比确定。电流模式反馈环路将峰值电感器电流调节为输出误差信号的函数。MAX1856使用低边外部检测电阻(图1中的R1)来监控峰值电感电流。打开后，控制器立即将电流检测电路消隐 100ns，以最大限度地降低噪声敏感性。此外，电流检测引脚 (CS+) 处的滤波器（图 1 中的 R10 和 C7）可提高抗噪能力。该时间常数应该足够低，以免电流检测信号失真。通常，最大 R10-C7 时间常数应小于最小占空比的 1/10，以使控制环路正常运行。请参阅MAX1856数据手册，了解详细说明该电路设计过程的指南。二极管波形和特性
快速整流二极管使用引脚结构的一些变化。从导通状态到阻断状态的转变需要有限的时间。这称为二极管的反向恢复时间 (trr)。这可以进一步分为时间 ta，在阻断电压之前去除载流子（通过二极管的电流在短时间内反向），以及时间 tb，在此期间二极管电压变为负值变化率 dVR/dt。为了减少正向压降，增加注入意味着需要从本征区域去除更多电荷，然后二极管才能阻止电压。因此，这将对反向恢复时间产生不利影响。快恢复整流器制造商通常会尝试找到这两个要求的最佳权衡。
反向恢复波形和定义。
上面的图 2 给出了快速恢复整流器的恢复特性的波形和定义。通过在时间ta期间流过大的反向电流来去除本征区中存储的电荷。在此时间结束时，结变为反向偏置。此时的反向电流定义为峰值反向恢复电流IRRM。IRRM 的值与过零时正向电流的变化率 dIF/dt 成正比。IRRM = (dIF/dt) × ta
然后，反向电流通过在时间 tb 内以 dIR/dt 的速率复合而减小。反向恢复电荷量由下式给出
QRR = (IRRM × trr)/2
其中 trr = ta + tb
一些整流器数据表可能定义软度系数 S，其中
S = (ta/tb)
二极管电压现在以与 dIR/dt 成比例的速率变为负值。在二极管恢复期间，由于变压器次级中的寄生电感 LLS，电流的这种变化将导致反向电压过冲。峰值反向电压 VRRM 由下式给出
VRRM = LLS × dIR/dt
缓冲器设计
寄生二极管自电容 CD 由下式给出
CD = (IRRM × trr)/(2 × VRRM)
该寄生电容 CD 与变压器次级中的寄生电感 LLS 谐振，并在电流检测信号和一般应用电路中引起噪声问题。为了抑制这种振铃，可以在图 1 中的次级整流器 (D2) 的阴极处使用 RC 缓冲器（缓冲器放置在该整流器处，因为该输出所需的输出功率最大）。缓冲器元件值 R5 和 C10 由下式给出（见图 1）
R5 = √ (LLS/CD) 且 C10 = 3 × CD 或 C10 = 4 × CD
整流器功耗
最后，考虑不同工作模式下整流器的功耗。在开关接通期间，能量被积聚并存储在变压器中。在此期间，整流器处于截止状态。阻塞状态下的损失可以表示为
PR = IR × VR × D
其中IR是二极管的反向漏电流，VR是二极管两端的反向电压，D是占空比。
在此周期结束时，开关关闭，能量转移到输出。二极管现在开始导通，二极管中消耗的功率为
PF = IF × VF × (1-D)
其中 IF 是二极管中的正向电流，VF 是二极管上的正向压降。
在此周期结束时，二极管关闭并进入阻断状态。从导通状态转换到阻断状态期间的功耗由下式给出
Prec = VRRM × IRRM × 0.5 × f × tb
其中IRRM是峰值反向恢复电流，VRRM是峰值反向电压，f是开关频率。
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