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【原创】二极管反向恢复造成电流尖峰原因分析

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jafck
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  • 2012-9-18 00:54:53
拿一份连续导通BUCK电路来说事吧

波形图1

图1:

图2:

图3:

图4::

波形图1-1为PWM波形
波形图1-3 电感电流波形。
工作于CCM模式。

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

作图花了不少时间, 如有疑问我再附详细文字。
全部拍脑袋想的,错误难免,欢迎各位朋友拍砖指正。绝对原创,21电源网首发。

[元器件]二极管反向恢复时间的测量
blueskyy
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总工程师
  • 2012-9-18 08:18:21
 
荣幸地占了沙发 ~
zhoushm5
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高级工程师
  • 2012-9-18 08:22:50
 
反向恢复电流就是由于二极管的寄生电容造成的吧,
ht_lb@126.com
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总工程师
  • 2012-9-18 08:29:47
 
楼主结合图片讲讲吧!
ydcman
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  • 2012-9-18 09:21:54
 
电流波形是计算来的吗?最好每副图下,讲解工作过程
long223349
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  • 2014-11-2 19:20:38
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long223349
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高级工程师
最新回复
  • 2014-11-2 22:23:29
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herewu
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本网技师
  • 2012-9-18 09:19:18
 
xinhurenfengsl
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高级工程师
  • 2012-9-18 09:45:19
 
流浪天星
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  • 2012-9-18 10:03:29
 
liu1875
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  • 2012-9-18 10:18:53
 
确实不错哦,支持
蒋江黔
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  • 2012-9-18 10:26:09
 
说说图2的问题:即然是CCM,那么开关导通的瞬间,电感中还有能量吧,继流通路不复存在,那楼主有没有看到电火花?
jafck
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  • 2012-9-18 15:03:53
 
火花也是要回路啊,没回路拿来的火花啊。V=Ldi/dt ,微观上来说电容跟电感的切换衔接的很好,图2不存在火花的问题。结合波形图来看。
蒋江黔
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  • 2012-9-20 14:55:55
 
继流通路不存在, 在我的理解来说, 就是电感的放电回路开路了. 不知道是不是我的理解有问题.
lin861296825
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本网技师
  • 2012-9-21 20:03:06
 
火花需要回路,能否详解下?
YTDFWANGWEI
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  • 2012-9-18 11:34:21
 
图1:二极管续流的等效电路是这样的吗?
图2:MOS管开通的时候电感中没电流?
图2:仅仅有电流短路,不存在分布电感如何产生反向尖峰?
图3:没看明白什么意思。
jafck
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  • 2012-9-18 14:57:07
 
:图1:二极管续流的等效电路是这样的吗?
甲:对于图1说明: MOSFET 断开, 产生续流通路,PN结电荷发生变化,如将其看成一个等效电容,则为 上负 下正的 一个部件。最终电感电流释放到谷点,谷点末期(0-至0+时刻)电容替代电感为负载提供能量,此时电感还以电磁能方式保存有能量(因为电感如果再放电的话,电容的电压显然要高过电感,变成电容还要给电感充能了。但那种现象是不可能的;因为Vin来了。如果Vin没来,而电感能量继续下降到0,不再输出能量,此时因为二极管和开关的分布电容引起震荡,但对于CCM来说,震荡时间不存在)这个瞬间太短暂了,马上转到下一阶段(图2)。

图2:MOS管开通的时候电感中没电流?
甲:因为MOS管闭合瞬间(又一个0-到0+的瞬间),因为二极管因正向导通,等效结电容上方聚集满载流子,当外电场Vin 接入时,因电荷异性相吸 导致PN结电容 变回中性,紧接着 二极管PN结等效结电容电荷 变成 上正 下负(下面多载流子)。二极管除去正向因导通而注入的电荷,然后反向充电至阻断状态,这个时间就是 trr 反向恢复时间,在二极管恢复之前,它呈现短路行为。
因为短路Vd 负向电流很大,相当于脉冲,如图4 红色部分所示。


图3:没看明白什么意思。
甲: 因为“短路”的最终结果,Vcc的电压跟二极管结电容电压相等,对电感电容进行充电,那么电容 电感都 二极管结电容跟Vcc结电容处吸取能量,类似于LC串联谐振时候。二极管结电容跟Vin 除了要供应负载的电流能量,还要供应 电感电容充电的能量。二极管结电容所示的能量如图4 蓝色部分。


需要指出一点,对于 肖特基二极管是个例外。因为金属-半导体结。相当于有正负极性的电解电容, 而 上文提到的 二极管,可以想想成此片电容。只是作用机理不太一样。一个是PN结效应,一个是电容效应。前者 是电荷 中和,后者是电容放电。


至于说分布电感产生的反向尖峰,这个可以忽略不计的,短路能量太大了。





YTDFWANGWEI
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  • 2012-9-18 15:02:06
 
1、首先,二极管导通的模型是否可以等效成你图中的模型,另外,CCM模式电感电流一直存在,那怎么可能电感替代电容提供能量?即使谷点也是电感跟电容一起提供输出能量。要注意,CCM模式下电感能量不可能降低到O否则就不是你说的CCM。
2、我没细看,开始理解成电压尖峰了,我会再细想想。
jafck
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  • 2012-9-18 15:12:12
 
1 图中的二极管模型,对于外电场对于二极管PN结所做的正电荷中和负电荷 我用无极性瓷片电容来说事了,效果都差不多。http://wenku.baidu.com/view/acee4d21ccbff121dd36834b.html 半导体二极管模型。
2 CCM电感电流在微观上来说的话,是有断续的。只是这个间隔时间可以是无限小,所以宏观上说是连续的。CCM模式 电感电流在最低时刻,不再降低。Vin的到来,使电感的感应电压方向经过了多次的跳变。
我所以说这个事情,是为了说明 波形图1 第6段 虚线框住的二极管的尖峰。
天剑002
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  • 2012-9-20 23:08:06
 
蓝色部分不是很能理解?
chchchcxt
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初级工程师
  • 2012-9-18 13:19:39
 
chchchcxt
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LV4
初级工程师
  • 2012-9-18 13:20:52
 
greendot
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总工程师
  • 2012-9-18 18:44:05
 
LZ肯定实际的波形是这样的么?
这是用Intusoft Icap/4仿真的结果,二极管的模型应该还是Spice的Storage Charge模型,
这种模型是仿不出真正的反向恢复的,和实际的差别很大,实际的电流没有振铃,却可以仿出振铃来 ... 等等,
那个下冲的尖峰(第6段图),怀疑只是仿真“捏造”出来的。
jafck
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  • 2012-9-20 01:16:04
 
您好前辈,以上是使用ICAP/4 的仿真文件,请您试下(下载后请先RAR解压)。

buck converter.rar

结果:
greendot
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LV10
总工程师
  • 2012-9-20 13:13:55
 
千万别叫前辈,像大伙一样,我是来学习的。
我的Icap/4开不了文件,试不了,其实也不用试,
10楼里的正尖峰是'假'的,是仿真软件和模型的Artifact。
jafck
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  • 2012-9-20 14:11:15
 
http://www.intusoft.com/demos/ICAP4Demo.zip 最新直接下载安装即可,但是一张电路图只能
放置20个元件,多了就仿真不聊。
我自己用的,虽然破解了这个限制,但是不会弄keygen,只能自己用这个软件,无法分享。
求 完整版。
ht_lb@126.com
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LV10
总工程师
  • 2012-9-20 14:34:14
 
这个软件很强大???
jafck
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  • 2012-9-20 14:47:34
 
电驴上有电子科技大学的 电路分析基础视频 华成英的模拟电子技术视频
开光电源很多书籍 论文,涉及到仿真结果的配图都是由该软件仿真产生的。
ON 安森美 跟他合作的。
dianyuan_l
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助理工程师
  • 2012-9-20 21:37:02
 
还是来个实际的波形吧,电路采用反激拓扑:输入85V-265V,输出12V5A。二极管采用肖特基20A,100V。如下图,不知道楼主有没有好办法解决尖峰问题:

jafck
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  • 2012-9-21 13:21:04
 
请上传下你的电路,针对具体单路来讲方便些。
dianyuan_l
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LV3
助理工程师
  • 2012-9-21 20:14:45
 
这个帖子,我也大体看了看,虽然在讨论,但我一般都不会完全看进去。我还是比较喜欢老外的讲解。先给一个例子,然后去讲解。因为有的时候,我看到一些书籍,总是说别人设计的不好,然后自己给一些比较令人难以理解的建议:比如,国内有一位老教授,写了N本著作(只看过一本),他就曾经说某IC厂家用RM8变压器不合适,应该用RM10的……
就像现在有的人做30W,电容只用10uF,那么,这会带来一些大师的指责,他们会说要按:2-3uF/W来选择电容!!!如果是这样,你的产品可能永远都出不来,这样也可能导致你丢掉手上的工作。而我用0.3uF/W未尝不可,而且老板会因为你的超薄电源,而给你嘉奖。
说了一些废话,目前,对于尖峰,我解决了一些拓扑的尖峰,但还需要进一步的研究,兄弟说需要原理图,我就上传一个,供分析,能解决实际问题的理论就是正确的;不能解决实际问题的理论,不是我们在论坛上讨论的问题,可以去power.org。
废话少说,如下图:

jafck
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  • 2012-9-21 21:20:13
 
jiaosheng1981
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高级工程师
  • 2012-9-21 21:31:54
 
你好,冒昧问一句,二极管加阻容吸收了吗?
jiaosheng1981
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LV6
高级工程师
  • 2012-9-21 21:35:49
 
从你的这个波形上看,根据我自己做全桥整流的实验,要么是没加RC阻容吸收,如果加了,可能是电容太大,造成震荡了。个人看法,不对的地方请多多指教。
dianyuan_l
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助理工程师
  • 2012-9-22 13:37:42
  • 倒数8
 
不是电容太大,震荡不一定是电容大导致的,震荡是因为参数匹配的问题。
jafck
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  • 2012-9-22 13:49:21
  • 倒数7
 
你算下你的参数 是不是 R 大于 2*[size=17.280000686645508px]√(L/C) 呢
huyugv
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助理工程师
  • 2012-9-21 09:53:24
 
学习 学习
admin
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管理员
  • 2012-9-20 16:12:52
 
已经加上了谢谢分享!
xiejian
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助理工程师
  • 2012-9-20 16:29:13
 
确实不错哦,支持
waterayay
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  • 2012-9-20 17:19:59
 
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天剑002
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很认真的学习了
sheng6888
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  • 2012-9-20 19:21:55
 
好帖!楼主请继续
learn-led
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学习
greendot
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  • 2012-9-21 14:04:32
 
看此帖成了精华,忍不住多说几句,
早前说过,顶楼第6段图(Input Current) 的负尖峰是不可信的,这个负尖峰是二极管电流的正尖峰,(二极管电流负尖峰是反向恢复电流Irr,如图),LZ却把这个本不应存在的尖峰,解释了它发生的机理,有点 。。。



这个二极管的正尖峰(即LZ图里的蓝色电流)是否如LZ所说,是什么叠加效应 ?

再看看顶楼的图输入电流波形,为什么会有电流流回输入电源?为什么电感电流找不到LZ的蓝电流的身影,反而在输入电流里找到? 又电感有可能通过这么高的di/dt,如果LZ是对的话?

二极管电流放大后(上右图),可以看到,蓝色正尖峰只是仿真Irr时的副产品,是Spice模型的‘缺憾’,如果见到有几个类似的振铃或尖峰,一点都不奇怪。
jafck
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  • 2012-9-21 16:10:22
 
您说顶楼 第6段图(input current)的副尖峰不可信,这个副尖峰是二极管电流的正尖峰。

问:为什么会有电流流回输入电源?为什么电感电流找不到LZ的蓝电流的身影,


答:您是对的,我在描述中有误。图4 脉冲图,红色部分的尖峰应该对应 图1 正向
导通来说明。
图4蓝色部分应该对应图2。


二极管反向恢复过程: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,并使等效模型的电容
感应出上正下负的电荷。对于图3,老师您同意存在二极管与Vin共同向电感充电可能吗?







greendot
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LV10
总工程师
  • 2012-9-21 18:48:24
 
在我看来,图2,3,4的电流方向和颜色标示,是一致的,红色是反向,蓝色是正向,怎么
图4蓝色部分应该对应图2

反向电流的机理就不用解释了,大家都知道。

“为什么电感电流找不到LZ的蓝电流的身影?
”,-- 因为蓝电流根本就没有流进电感里,何来向电感充电?反而流回供电电源,这有理由么?
“电感有可能通过这么高的di/dt ?” -- 如果这个蓝色尖峰真的能流进电感,根据 v=L*di/dt,电感上将会感应千伏电压,这有可能吗?
存在二极管与Vin共同向电感充电可能吗?” -- 像LZ的仿真,理想Vin没有内阻,二极管的电容Cj,即使已充到Vin,也不会向电感充电,这不用说明了吧,如果Vin有点内阻,Cj应该会,但会是个几百mA,甚至几A的尖峰?

不知LZ是看到Basso的仿真有这个蓝尖峰,才想到要找个合理的解释,还是早有这个想法,反过来去证明仿真的真确性?


jafck
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  • 2012-9-21 19:37:18
 


比如一个二极管在仿真他电流的时候,仿真软件应该是以二极管正向导通的电流
的幅值为正值吧,负向为负值吧。如果按此定论,结合此楼的2图,当MOSFET合上的时候
先有个负向的电压,这向上的电流尖峰又是从何而来呢。 我现在已经相当的糊涂了。
jiaosheng1981
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LV6
高级工程师
  • 2012-9-21 21:40:13
 
个人的一点看法,反向尖峰原因很简单,回路上的漏感在快恢复二极管反向恢复期间造成的,既Ldi/dt太大,在二极管阴极感应出高电压。如果解决吸收这个高电压才是关键,尤其是大功率快恢复二极管,正为这个犯愁那。希望高人指导啊。
jafck
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  • 2012-9-21 22:20:10
 
这个我觉得不是问题啊。如果你做大功率光伏升压,这个部位的二极管又不想用 碳化硅,那么就用R串上C 并接在 二极管 PN 2端 ,或者 串接一个 可饱和磁芯 线圈。还有就是把你的开关频率降下来。
jpvnui
  • jpvnui
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LV6
高级工程师
  • 2013-5-8 21:01:27
  • 倒数4
 
mark一下这个电压尖峰明显超过输入电压,会不会在电源内阻上产生一个反向的电流尖峰呢?
greendot
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LV10
总工程师
  • 2012-9-21 23:39:04
 
除了那个方波外,都是电流波形,哪有向上的尖峰电压 ?
jafck
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  • 2012-9-22 00:22:27
 
对不起,心里想的 跟打出来的 字不一样,好多琐碎的事情。 上面的问题已经更正。
不考虑实际电路中是什么样的现象,就说仿真为什么会出现这样的结果。尽管仿真跟实际有却别。
greendot
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LV10
总工程师
  • 2012-9-22 10:15:17
 

不知道指的是二极管电流(图1)的,还是输入电流(图2)的向上尖峰 ?
红色对应的是反向恢复电流,蓝色的,我认为是子虚乌有。
jafck
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版主
  • 2012-9-22 11:24:14
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是不是可以这么说,这个SPICE 模型做错了?
greendot
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总工程师
  • 2012-9-22 12:43:47
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只能说是模型的不足。
vince
  • vince
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本网技师
  • 2012-10-13 10:37:27
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看帖就回,养成好习惯。学习中。
tinghai899220
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高级工程师
  • 2012-10-13 22:54:28
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楼主的图是哪本书上的?
白骨之舞
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  • 2014-9-18 14:33:25
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虽然时隔多年,还是很佩服楼主,给我目前的工作有了启发
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