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Boost变换器的二极管

jf_pJlTbmA9 来源:硬件十万个为什么 作者:硬件十万个为什么 2023-11-27 14:57 次阅读

本文转载自: 硬件十万个为什么微信公众号

对于Boost电路,跟Buck电路一样都有同步与非同步。如图6.19所示,非同步Boost是有一个开关管和一个二极管,而同步Boost是两个开关管。

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图6.19 DCM模式下Boost电路的电感的实测波形

对于Boost电路,小电流场景下,有一些控制器还是非同步的Boost电路。所以会使用二极管作为电路的组成部分。

分析二极管在Boost电路中的作用,首先分析在开关管导通和关闭时电流的路径。如图6.20所示,开关管关闭,电感储存的能量给输出电容和负载提供能量,电流路径为图6.20右图虚线箭头方向,此时二极管D1导通。

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图6.20 CCM模式下Boost电路的两个状态

开关管导通,电感进行储存能量,电源的输出电容维持输出电压Vout同时给负载供电,这时二极管的单向导通性就发挥其作用了,不允许电流经过,那么电容的放电路径只能是流向负载。此时二极管的两端电压分别为0V和Vout,但是正好的是反向截止,此时二极管电流为0A。

那如果短路二极管D1后,又会发生什么情况呢?

假设,二极管D1短路后,电容C2的放电路径会增加一条,此时开关管导通,我们都知道开关管在导通的状态下还是会存在一个很小的电阻,这个时候增加一条放电路径,C2的能量就会损失,造成了Boost升压的无法工作。以上仅为假设。所以在Boost升压电路中的二极管作用是隔离。

在开关管导通时,流过二极管的电流为0A,开关管关闭时,电感在放电,流过二极管的电流在线性减小。在这个过程中流过二极管的电流是一个变化的,存在峰值电流和平均电流,这时就需要考虑二极管的通流能力。

开关管关断时,流过二极管的电流约等于输出电流Iout,假设流过二极管的平均电流Id,导通压降Vd,那么二极管的平均功率Pd=Id*Vd,为了提高输出效率,减小功率损耗,选择二极管时尽量选择正向导通压降Vd小的二极管,让电感储存的能量尽可能多的提供给负载,不要浪费给二极管。

二极管的实际电流波形,还有一个负电流尖峰。

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二极管还是会存在一个反向恢复时间,这样就会存在一个尖峰。实际应用中的二极管,在电压突然反向时,二极管电流并不是很快减小到0,而是会有比较大的反向电流存在,这个反向电流降低到最大值的0.1倍所需的时间,就是反向恢复时间。在这个反向恢复时间里,二极管可以通过较大的反向电流,所以在波形图中就出现一个较大的反向电流尖峰。

由于二极管外加正向电压 时,P 区的空穴向 N 区扩散,N 区的电子向 P 区扩散,不仅使得耗尽层变窄,而且使得载流子有相当数量的存储,在 P 区内存储了电子,在N 区内存储了空穴,它们都是非平衡少子。

一个二极管从没有导通到导通,一定是需要能量的。从截止到导通需要能量,从导通到截止也需要能量。

把正向导通时,非平衡少子积累的现象叫做 电荷存储效应。

当输入电压突然由正压变为负压时, P 区存储的电子和 N 区存储的空穴不会马上消失,它们会通过以下两个途径逐渐减少:

1.在反向电场的作用下, P 区电子被拉回 N 区, N 区空穴被拉回 P 区,形成反向漂移电流 ;

2.与多数载流子复合消失。

这些能量变化的过程,不但有能量的损耗,同时还需要占用时间。

由上可知,二极管的反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间,而这个Trr也会决定二极管的最大工作频率。

1、二极管反向电压大于Boost工作过程中最大的反向电压Vout,并留有一定的余量。

2、考虑到电源的效率,二极管的正向导通压降Vf越小越好。

3、二极管最大正向电流If须大于负载最大电流即输出最大电流Iload,并留有余量。正向峰值电流Ifsm需大于电感峰值电流IL_max,并留有余量。

3、 二极管反向恢复时间Trr越小越好。

审核编辑 黄宇

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