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原创 技术经验

关于开关电源拓扑整流二极管的反向恢复速度对电路的影响

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1
ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-17 19:23:50
最近想到一些开关电源的拓扑二极管选型的问题,在此贴出自己的见解,可能会有不对的地方,大家多多指出。本贴旨在以讨论交流为主。
收藏收藏10
ckj_ck
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LV10
总工程师
  • 2017-6-17 19:24:18
 
先发表一些自己比较确定的看法:
开关电源用肖特基来当拓扑二极管,虽然效率高,但是会让emi变差,因为反向恢复速度快,导致尖峰的上升下降沿较大,那么高次谐波成分便会比较丰富。所以要对效率和emi进行取舍,在emi比较差的时候,可以视情况舍弃使用肖特基二极管,而改用超快恢复甚至快恢复。
nc965
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  • 2017-6-17 22:10:52
 
这个涉及设计思想
1、反向恢复冲击电流无疑会影响EMI
2、减缓反向恢复冲击电流无疑会改善EMI
3、但,减缓反向恢复冲击电流不一定只能依靠二极管反向恢复特性,还有其他办法可以减缓。比如给个磁珠什么的。
4、尽量避免以牺牲效率为代价来解决EMI问题。
5、采用肖特基而EMI能过的案例比比皆是,人家能过你为什么不能?
6、对EMI的追求是有止境的,能过就行,余量太大反而不是好事(多半意味着你可以再省一些东西)。
7、对效率的追求是无止境的,除非你的效率已经达到100%(而这样的理想情况一定是没有EMI问题的)。
8、这意味着追求效率和追求EMI本质上是不冲突的(可能还是相辅相成的)。
XIAOTU80
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  • 2017-6-20 09:33:34
 
赞一个,逻辑思维很强大
ckj_ck
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LV10
总工程师
  • 2017-6-17 19:35:55
 
再来一些自己的困惑。
二极管的反向恢复速度,和反向恢复电流,是否有什么关系呢?反向恢复速度越快,反向恢复电流就越大呢还是越小呢?不知是否有这样的关系,还是说这两者间没有确定的关系?而且与结电容的大小也有关吧?结电容越大,也就以为的存储在结电容两端的电荷越多,反向恢复电流自然也就会达到一个更大的值。
反向恢复电流是由哪些决定的?
nc965
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  • 2017-6-17 22:15:29
 
二极管的反向恢复速度?提法不妥
二极管反向恢复时间,二极管反向恢复电流,这两个参数与二极管本身的结结构有关,更与工况有关。
其中,二极管反向恢复时间主要是器件特性,二极管反向恢复电流主要是运行特性。
二极管反向恢复电流大小与下列因素有关(个人理解):
1、二极管反向恢复时间参数
2、二极管类型(比如有一种软恢复二极管)
3、反向电压的高低
4、反向切换速率(dv/dt),这个可能是由(原边)开关(驱动)切换速率决定的
5、正向电流(大小及切换di/dt)的影响(即使0电流切换也可能有反向恢复电流)
6、结电容(即使碳化硅反向恢复时间为零也可能有反向恢复电流)
7、结温
8、缓冲电路、谐振机制

oldsailer
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本网技工
  • 2017-7-3 14:21:44
  • 倒数9
 
这些参数都是互相制约的,针对快恢复二极管来讲,通常反向恢复时间越短,反向恢复速度越快,反向恢复电流越小,但反向恢复电流又受到反向偏压及电流di/dt的影响,成正比关系,而这是由实际的电路决定的。Irrm影响功率开关的EON,因为Irrm反映为功率开关开闭切换期间的电流峰值。因此,Irrm需要尽可能低,最大限度降低功率开关EON。此外,trr (ta + tb)应尽可能短,以最小化EON时长。对于软恢复二极管来说,其中tb时间比ta更长。软度比(S = tb / ta)大于1,理论上对电路的EMI 有益。
就器件本身,是反向恢复电荷Qrr和Vf的折中。

ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-17 19:38:55
 
贴上Fairchild的ES1J二极管的参数。此二极管的Trr为35ns

ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-17 19:47:06
 
再来一些maileyang大师的回复:
肖特基效率还高,,
我们都是同步整流好不好
不要人云亦云
我们搞的LLC通信电源,如果副边是二极管整流,那就高兴的一逼
因为搞传导辐射跟玩一样
同步整流管麻烦一点

肖特基好,如果你是超级快恢复二极管就够呛
PFC上我们都用SIC了
就是要让反向恢复电流小点

我们的应用都是 30 60A /600V

-------------------------------------------------------------

以及dpj大师的回复:
emc主要是环路造成的
关断的时候会有一短空档

nc965
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  • 2017-6-17 21:49:36
 
拓扑整流二极管?
续流二极管,拓扑二极管,拓扑续流二极管,叫法不同,其实是同一类
整流二极管,说的是整流桥
拓扑钳位二极管,无源无损缓冲电路里面那些二极管,无源软开关里面那些二极管,这是一类
ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-18 07:55:05
 
多谢李工的指点,思路清晰多了。之前一直错以为反向恢复电流的大小只取决于二极管特性了,就钻到牛角尖里去了,一直想不明白。

嗯,拓扑整流二极管,指的是开关电源拓扑里,进行斩波后,再去整流成直流的那个二极管。
因为考虑到对于flyback,这个叫副边整流二极管,而对于非隔离拓扑,这个又不能叫副边整流二极管,只能叫拓扑二极管,
然后就自己统筹了个名字叫拓扑整流二极管。

现在想想直接叫他拓扑二极管就行了,倒的确也不会引起歧义,已改正,多谢李工指出。

wandubin
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高级工程师
  • 2017-6-18 10:47:35
 
围观,继续学习。
slslsl651
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副总工程师
  • 2017-6-19 10:29:06
 
我的看法是
1、反向恢复电流越小越好,反向电流越小,则存储在线路分布电感中的能量就越小,当反向电流被截断时,释放出来的能量也就越小,也就是干扰会越小,同时效率也会更高。
2、反向恢复电流被截断的过程越软越好,也就是反向的电流关断过程 di/dt 越小越好,因为对于同样的电感量和电流量,di/dt 越小,电感产生感应电压也就越小,干扰也越小,我们常用的整流二极管上并联RC缓冲回路,实际就是在整流二极管关断后,而分布电感的电流又未降低到零的时间段内,给反向电流一个续流通道,降低反向电流的di/dt,从而有效的改善EMC. 特别提醒一下这个软,不是说反向恢复时间越长越好,请注意。
ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-19 22:59:16
 
对副边二极管的RC吸收做了个仿真对比,如下:







R2, C7直接去掉后



可以看到,在副边二极管D4上加了RCSnubber的情况下,在副边二极管反向恢复阶段,即MOSFET开通时刻,副边电流(粉色波形)便不会有那么长时间的震荡,从而改善了EMI

ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-19 23:01:41
 
反向恢复电流的大小,与加在二极管两端的RC吸收的关系,耐人寻味。。。
bake_ql
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副总工程师
  • 2017-6-20 09:32:27
 
是否要这样说, RC snubber存在,限制二极管两端dv/dt,进而影响 二极管反向电流; 而反向电流大小及ring大小会影响EMI
ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-24 17:39:09
 
个人意见仅供参考,我觉得应该是这样
one-piece
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LV8
副总工程师
  • 2017-6-21 09:07:30
 
问楼主个问题,如果是多路输出的情况,是所有路都要在输出二极管上并RC好,还是只需要并其中一路,就会对波形有所改善?
针对这种修改方式,主要是针对30M-60M频率的超标的,如果这段没超,个人感觉无需专门对输出二极管并RC吧?
针对上述波形也可以通过在MOS DS之间并RC实现吧?
ckj_ck
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LV10
总工程师
  • 2017-6-24 17:47:48
 
1、每一路的拓扑二极管对于电路的影响都是一个叠加效应,并不会解决了一个,其它就没有了。
2、我觉得在DS并联RC吸收这个只能改善ds端的频率成份,但是来自二极管的反向恢复造成的问题,是改善不到的,正所谓对症下药,一定要找准源头在哪里。换个角度思考,如果说仅仅在DC两端弄个RC吸收就能解掉二极管反向恢复带来的问题,那么那么多关于拓扑二极管吸收的文章岂不是都白费功夫了对吧。
3、到底这个造成的emc问题,会影响哪个频段,我觉得这和开关频率以及驱动信号的上升下降沿,开关管、二极管的类型,都有关系,并不能一概而论改好了这个则30M~60M就一定好。
至于如果emc不超标,是否还要加RC吸收的问题,我也比较困惑,这个还得看实测,如果说“二极管不加吸收的情况下,二极管反向恢复造成的效率损失”多于“加了吸收之后,RC吸收带来的效率损失以及当下二极管反向恢复带来的效率损失之和”(总体就直接对比变换器效率就行),则依旧也是要加个吸收的,为了效率。
正如李工所说,“追求效率和追求EMI本质上是不冲突的(可能还是相辅相成的)”。
nc965
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  • 2017-6-24 22:15:52
 
这又是设计思想的问题,我觉得应该这样来看待这个问题:
1、RC吸收的目的是降低尖峰电压,没有其他目的。
2、在反激副边二极管,降低尖峰电压的目的是采用更低耐压的肖特基,这样可以得到更低的压降、更高的效率。
3、只要不能达成上述目的,可以不加RC吸收(比如我根本没有尖峰,或者没有采用更低耐压肖特基的机会)。
4、RC吸收不当,会大大降低效率。曾经见过一个案例取消次要回路的RC吸收(他为了这个次要二极管的耐压纠结),效率立即增加5个百分点的。
5、RC吸收得当,不会(明显)降低效率,但也不会(直接)提高效率。
6、RC吸收可能改善EMC特性,但建议不要作为RC吸收的设计目的。
7、因为,除了RC吸收之外,我们还有N多改善EMC的措施,其中很多措施是既不花钱也不降低效率的(RC是要既要花钱还可能降低效率的)。
8、依靠RC吸收来解决EMC问题是最蹩脚的选择之一(类似的还有在DS并电容),意思是你可能还没有掌握比RC吸收或许更加合理的EMC技术措施。
月下的小马
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高级工程师
  • 2017-6-26 10:31:08
 
不明觉厉,一针见血
ckj_ck
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  • 2017-6-28 19:33:33
 
李工,请教下,
是否有这么种可能,
加了RC吸收且设计得当,由于减小了二极管的反向恢复电流(因为RC Snubber减小了此二极管两端的dvdt),故减小了其反向恢复电流所产生的Vr*Ir的损耗(Vr为二极管的反向电压,Ir为其反向恢复电流,瞬态值积分求功率耗散),加上RC吸收带来的损耗,小于之前未加RC吸收时的二极管的功率耗散,使得效率变高呢?

ckj_ck
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总工程师
  • 2017-6-28 20:02:40
 
对有无RC吸收时候的二极管损耗加上RC Snubber的R的损耗之和,做了个CCM的Flyback仿真对比


下图第一栏黄色波形为  加了RC吸收后的拓扑二极管+RC吸收的R的功率损耗


下图第一栏黄色波形为  拓扑二极管无RC吸收时的拓扑二极管功率损耗


通过切换这两张图片,可以看出,加了RC吸收后的拓扑二极管+RC吸收的R的功率损耗的确变得略小于2.4节中的拓扑二极管无RC吸收时的拓扑二极管功率损耗了。

下图蓝色曲线为,有RC吸收时候的整机效率

下图蓝色曲线为,无RC吸收时候的整机效率


通过切换这两张图片,可以看出,加了RC吸收后,整机效率稍微高了一点点点点。

不知实际是否有加了RC吸收后,效率提高的案例?

nc965
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  • 2017-6-29 09:22:29
 
见8楼列举的因素,RC吸收对反向恢复电流的影响应该是与其中的3、4、5、8条有关,不仅仅归结为dv/dt这一个因素。
RC吸收的设计目标(效果)是降低谐振尖峰电压(不是改善EMI、更不是提高效率)。
RC吸收本质上是一个最优化阻尼网络问题,没有RC吸收是一个阻尼状态,有个功率分配问题,加上RC吸收,变成另一个阻尼状态,功率重新分配。
阻尼中的阻(R)是会发热(Pr)的,两种阻尼状态就有两种功率分配Pr1、Pr2,这就导致采用RC吸收以后的效率变化。
吸收得当,RC吸收不会明显降低效率,还可能略微提高效率,其机制就是Pr1的损耗部分转移到RC回路中的R上去了,R发热的增加一定伴随着回路中其他机制发热的减少,谁多一点少一点就导致效率的略微偏高偏低。但总的来讲影响是很小的,基本上没有工程意义。
这个问题在此贴有分析和案例:《关于吸收》五:RC吸收摘录:RC吸收是能量的单向转移,就地转变为热,不能将电能转移出去。尽管如此,这并不意味着吸收电阻的损耗(发热能量)一定就会是从总效率中减去的损耗,在很多情况下,这个吸收电阻的发热增加了,与电路中另外某个器件的发热减少是相对应的,总效率不一定下降。也就是说,设计得当的RC吸收,在降低电压尖峰的同时也有可能提高效率。
slslsl651
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LV8
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  • 2017-7-4 09:42:46
  • 倒数8
 
对于版主的观点,有一方面不认同:
整流二极管上并接RC ,第一目的当然是降低二级股反向尖峰,但是同时绝对是改善EMI的设计目的,首先mos管导通,二极管中流过反向电流,当二极管反向时间达到,反向电流被截断瞬间,如果没有RC提供续流通道,基于电感的特性,分布电感中的反向电流会感应出反向电压高峰,试图击穿二极以形成一个续流回路,如果没能击穿二极管,一部分能量会以电磁辐射的形式释放出去,这部分能量就会形成干扰源。
本人在实践中也遇到过 KW级别的模块,输出220V,最开始整流二极管RC缓冲网络的参数不合适,造成二极管附近释放出很大的干扰,控制板都被影响到无法正常工作,单单改善RC网络后,二极管反峰降低的同时,干扰明显减小,控制板恢复正常,当然后续也进行了改善PCB布局等等处理。
RC网络不是用来吸收反峰的,是用来给反向电流提供续流通道的,有了续流通道,反向电流就不会感应出过高的反向电压出来,所以翻译比较严谨的书上,对这个网络都叫RC缓冲网络,而不是RC吸收网络。
另前面说的提高效率不是指的加RC可以提高效率,而是说在可能的情况下降低反向电流,或者是降低分布电感来实现的,例如使用更好的PCB布线,使用性能更优良的二极管等等。
YTDFWANGWEI
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  • 2017-7-4 11:35:34
  • 倒数6
 
李工的意思应该是说RC吸收的设计目的是降低尖峰而不是改善EMI(但并不代表RC吸收不会改善EMI),如果你的第一目的是改善EMI,那么首先考虑的不应该是RC,而应该是别的措施。
nc965
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  • 2017-7-4 11:39:26
  • 倒数5
 
正解
gxg1122
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最新回复
  • 2017-7-19 12:46:33
  • 倒数1
 
版主分析的比较客观全面。学习了。
gxg1122
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LV8
副总工程师
  • 2017-6-30 14:48:51
  • 倒数10
 
RC吸收是可以改善EMI但的,但会降低效率。版主这分析的很全面,赞同。
何仙公
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  • 2017-7-4 11:15:42
  • 倒数7
 
然后呢?有没有定性定量的法则?或者实用要点
ckj_ck
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总工程师
  • 2017-7-6 22:19:21
  • 倒数4
 
定性可以,这个具体可以参考李工(nc965)在23楼提到的他的一篇帖子。
定量就比较困难了,至今我还没知道有什么方法,如果遇到多多交流。
fanren1
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LV6
高级工程师
  • 2017-7-13 11:57:56
  • 倒数2
 
李版 的很多帖子都很值得细细的学习一下。
没有用户名
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LV6
高级工程师
  • 2017-7-7 15:32:17
  • 倒数3
 
关注中..
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