一種工作於開關頻率的整流二極體電路的製作方法

2023-04-26 12:19:26

專利名稱：一種工作於開關頻率的整流二極體電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及開關電源技術領域，尤其涉及一種用於開關電源中 工作於開關頻率的整流二極體電路。
背景技術：
在開關電源中廣泛使用二極體作為整流器件，工作於開關頻率的整 流二極體處於不斷開通-關斷-開通…的工作模式下，反覆的被切斷和通
過大的電流。由於這種工作模式下電流相對時間(di/dt)的變化大，加 上二極體的反向恢復電流，不僅會引起電路噪聲，同時會對電路中其他 器件造成影響。
在實際應用中，開關電源經常通過在整流二極體引線腳上套磁珠的 方法，來抑制二極體關斷時產生的反向恢復電流。這種方法在抑制二極 管反向恢復電流的同時也呈現出其固有缺點，即，降低了整流二極體的 開通速度，這會帶來其他方面不良的影響。現以PFC (功率因數校正) 電路為例來說明。在開關電源交流輸入端會使用Boost升壓變換器來實 現功率因數校正，同時將交流電壓變換成直流高電壓，以減小因為非線 性負載引起的諧波對電網的"汙染"。Boost變換器的電路結構如圖l所 示PWM控制信號使功率開關MOS管Q工作於高頻開關狀態，電感L 中流過高頻的脈動電流。為防止整流二極體D的反向恢復電流引起EMI 幹擾(EMI_Electromagnetic Interference—電磁幹擾)，在整流二極體的 陽極引線腳上加一個小磁珠L1，如圖2所示。開關管Q開通瞬間，電感L中的電流需要從迴路①切換到迴路②中，切換過程中整流二極體電
流過零時，^茲珠Ll呈現出高的阻抗，有效地抑制了整流二極體反向恢 復電流引起的電流尖峰，實現了使用該磁珠Ll的目的。然而磁珠Ll 在抑制反向恢復電流的同時，減慢了整流二極體的開通速度，即在開關 管Q關斷瞬間，該^茲珠同樣會阻止電流從迴路②向迴路①的切換。這導 致在此過程中電感L中的能量沒有瀉;改迴路，就會造成開關管Q的DS (漏極和源極)兩端出現高的電壓尖峰，而且電流越大，電壓尖峰越大， 不僅是潛在的EMI幹擾源，而且會引起開關管Q的DS (漏極和源極) 過電壓擊穿，增加了開關管的選型難度。
現有技術在解決這個問題的方法， 一般是通過如圖3所示的RCD吸 收電路對電壓尖峰進行處理。該吸收電路與開關管Q並聯，其工作原理 為當開關管Q關斷瞬間，磁珠L1未飽和而呈現高阻狀態期間，電感L 中的能量通過吸收電路的二極體D 1給C3電容進行充電，為電感L提供了 洩放迴路，限制了開關管Q的DS兩端電壓尖峰；在開關管Q導通期間， C3中的能量通過吸收電路的電阻R流過開關管Q的DS進行洩放。該方法 的缺點主要有兩個
① .吸收電路消耗能量，同時也增加了開關MOS導通過程的功耗，降 低了電源的效率；
② .元件數量多，增加了板卡體積且不利於PCB布版。 因此，現有技術還有待於改進和發展。

實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種工作於開關頻率的整流二極體電 路，該電路解決了在採用磁珠抑制整流二極體反向恢復電流的同時引起 整流二極體開通速度低的問題，並且不增加額外的功耗。本實用新型為解決上述技術問題所採用的技術方案為 一種工作於開關頻率的整流二極體電路，包括工作在開關狀態的整
流二極體，以及與所述整流二極體串接的抑制電感，在所述整流二極體 與抑制電感串聯電路的兩端並聯一吸收電路，所述吸收電路單向導通且 導通壓降大於所述整流二極體正嚮導通壓降，用於在所述整流二極體從 關斷狀態嚮導通狀態的切換過程中提供一臨時電流通道，並在所述整流 二極體導通後該吸收電路自動關斷。
所述的整流二極體電路，其中所述吸收電路包括至少一吸收二極 管，所述吸收二極體同向串接並與所述整流二極體同向設置，所述吸收 二極體正嚮導通壓降之和大於所述整流二極體導通壓降。
所述的整流二極體電路，其中所述的吸收電路包括兩個同向串接 的吸收二極體。
所述的整流二極體電路，其中所述吸收電路包括一穩壓管以及至 少一吸收二極體，所述穩壓管與吸收二極體同向串接並與所述整流二極 管同向設置，所述穩壓管的穩定電壓與所述吸收二極體正嚮導通壓降之 和大於所述整流二極體導通壓降。
所述的整流二極體電路，其中所述穩壓管採用瞬態電壓抑制器， 所述瞬態電壓抑制器的嵌位電壓與所述吸收二極體正嚮導通壓降之和 大於所述整流二極體導通壓降。
所述的整流二極體電路，其中所述抑制電感為磁珠，套在所述整 流二極體的陽極或陰極的管腳上。
所述的整流二極體電路，其中所述整流二極體陽極及陰極的管腳 上各套至少一所述^t珠。
6本實用新型的有益效果為採用本實用新型的整流二極體電路，在 不影響磁珠在整流二極體關斷過程中其抑制反向恢復電流的前提下，消 除了磁珠引起整流二極體開通速度降低的負面影響，限制了開關管DS 兩端電壓尖峰，並且不會增加額外的功耗，不僅改善了開關電路的電磁 兼容性(EMC),降低了開關管DS間電壓尖峰以及功耗，同時由於採 用的元件少且體積小，降低了布版的難度，使PCB的布局和走線更加方 便簡潔。


圖1為現有技術Boost電路原理圖2為現有技術在整流二極體陽極增加磁珠的Boost電路以及磁珠 在電路中作用的示意圖3為現有技術採用RCD吸收電3各的Boost電路； 圖4為本實用新型整流二極體電3各實施例一；
圖5為本實用新型開關管Q關斷瞬間吸收二極體的嵌位作用示意
圖6為本實用新型開關管Q關斷期間磁珠飽和後的等效電路； 圖7為磁珠串接在整流二極體D陰極管腳上的示意圖； 圖8為本實用新型整流二極體電路實施例二； 圖9為本實用新型整流二極體電路實施例三；
圖10為現有技術在整流二極體管腳增加^F茲珠的降壓型變換器原理
圖11為在降壓變換器中採用本實用新型整流二極體電路的示意圖； 圖12為在隔離變換器中採用本實用新型整流二極體電路的示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步詳細說明 本實用新型的一種整流二極體電路，應用於開關電源等涉及到整流 二極體工作於高頻開關狀態的電路中，例如升壓型變換器Boost電路、 降壓型變換器(Buck變換器)、隔離變換器等。本實用新型的整流二極 管電路包括工作在開關狀態的整流二極體，以及與整流二極體串接的抑 制電感，該抑制電感是用來抑制整流二極體反向恢復電流的，釆用套在 整流二極體引腳上的磁珠實現。為了克服磁珠的作用引起整流二極體開 通速度降低的問題，在所述整流二極體與磁珠串聯電路的兩端並聯一吸 收電路，該吸收電路單向導通，並且該吸收電路導通時的壓降大於整流 二極體正嚮導通壓降，用於在所述整流二極體從關斷狀態嚮導通狀態的 切換過程中提供一臨時電流通道，並且該吸收電路在整流二極體導通後 自動關斷。在實際應用中吸收電路可以有多種實現方式，以下以Boost 電^ 各為例對工作於高頻開關狀態的整流二;fe管電3各進;f亍詳細說明。
如圖4所示的實施例 一 ，整流二極體電路包括整流二極體D，以及 與整流二極體串接的》茲J朱Ll, f茲珠可以套在整流二極體D的陽極管腳 上，也可以套在整流二極體D的陰極管腳上，如圖7中所示的L2，其 效果相同。套在整流二極體D陽極或陰極管腳的磁珠可以是一個，也可 以多個。整流二極體D與磁珠Ll形成的串聯電路(Ll+D )連接在Boost 電路的升壓電感L及開關管Q的接點與電壓輸出端之間。吸收電路由兩 個同向串聯的吸收二極體Dx、 Dy組成的二極體串聯電路(Dx+Dy)實 現，吸收二極體Dx、 Dy應滿足以下條件，即，吸收二極體Dx、 Dy在 正常導通時其導通壓降VDx+VDy大於二極體D的導通壓降VD。由吸 收二極體Dx、 Dy組成的吸收電路並聯在在磁珠Ll和整流二極體D兩 端，並且吸收二極體Dx、 Dy的方向與整流二極體D同向設置，即Dx、 Dy正嚮導通電流與整流二極體正嚮導通電流方向相同。所述整流二極體電路工作於高頻開關狀態下，在一個開關周期中其工作原理和其作用如
下
整流二4 l管D關斷過程該過程為開關管Q由截止狀態嚮導通狀態變 化，整流二極體D由導通狀態向截止狀態變化。由於吸收二極體Dx、 Dy 在正常導通的時候其導通壓降VDx+VDy大於二極體D的導通壓降VD， 因此開關管Q截止時的導通電流是通過整流二極體D的，而Dx、 Dy中電 流為零，即在整流二極體D關斷前只有整流二極體D中有電流流過，因而 關斷過程中只有整流二極體D存在反向恢復電流，這個反向恢復電流通 過磁珠L1可以加以抑制，而引入的兩個吸收二極體Dx、 Dy由於在磁珠 Ll和整流二極體D電i 各之外且無正向電流流過，故不存在反向恢復電流 且不對電路有任何作用，因此也不會影響》茲珠L1對二極體D反向恢復電 流的抑制效果。
整流二^l管D開通過程該過程為開關管Q由導通狀態向截止狀態變 化，而整流二極體D由截止狀態嚮導通狀態變化。在開關管Q關斷後，由 於磁珠L1在切換過程中的一段時間內呈現出高的阻抗，升壓電感L-磁珠 L1-整流二極體D-濾波電容C2的迴路無電流流過，升壓電感L中的電流則 通過吸收電路的二極體Dx， Dy流入電容C2，釋放了L中的能量，不僅防 止了在開關管Q的DS兩端產生電壓尖峰，同時將能量注入到C2中去，不 會造成額外的功耗，此時等效電路如圖5所示。切換過程結束之後，由 於吸收二極體Dx、 Dy上的壓降VDx+VDy大於二極體D上的導通壓降 VD，且電流流過Ll+D的串聯電路後造成f茲珠Ll飽和，整流二極體D的 導通壓降VD〈VDx+VDy,無法使兩個串聯的二極體Dx, Dy達到正常的 導通電壓而導致二極體Dx， Dy截止，因此全部電流轉移到整流二極體D 中，吸收電路Dx+Dy中電流變為零，吸收電路自動關斷，此時等效電路 如圖6所示。直到下一個整流二極體關斷時刻到來後進入下一個工作周 期。由此可見，這種並聯在在,茲珠L1和整流二極體D兩端的吸收電路既不影響磁珠抑制整流二極體反向恢復電流的效果，又解決了磁珠引起整 流二極體開通速度降低的問題，並且不增加額外的功耗。
在實際應用中，吸收電路可以增加或者減少吸收二極體的數量，以
用來調整整流二極體D導通之前,茲珠L1呈現高阻狀態的時間。例如可 以單獨採用一個吸收二極體，也可以採用3個或更多的吸收二極體同向 串聯而成，但無論採用幾個吸收二極體，都要滿足各吸收二極體正嚮導 通壓降之和大於整流二極體導通壓降的條件。
本實用新型的實施例二如圖8所示，吸收電路與上述實施例一相同， 由兩個同向串聯的吸收二極體Dx、 Dy組成，所不同的是在整流二極體 D的陽極、陰極管腳各套至少一磁珠，例如各套一個磁珠L1、 L2，吸收 電路並聯在L1-D-L2串聯電路兩端。本實施例由於採用兩個磁珠，使得 整流二極體D關斷過程中其抑制反向恢復電流的效果更好。
本實用新型的實施例三如圖9所示，吸收電路包括一穩壓管以及至 少一吸收二極體Dy,穩壓管可採用瞬態電壓抑制器TVS實現(TVS— Transient voltage suppressor), TVS與吸收二極體Dy同向串接，即TVS 的陰極連接Dy陽極，並且串接後的TVS和Dy與整流二極體同向設置， 並聯在^茲珠LI與二極體D組成的串聯電路兩端。由穩壓管和一吸收二 極管Dy組成的吸收電路同樣需要滿足以下條件，即穩壓管的穩定電壓 Vz與吸收二極體Dy正嚮導通壓降VDy之和Vz+VDy應大於整流二極 管導通壓降VD,若穩壓管採用TVS時，TVS的嵌位電壓與吸收二極體 Dy正嚮導通壓降之和應大於整流二極體導通壓降VD。該實施例的吸收 電路中用TVS替代一個或多個吸收二極體，利用TVS管能夠快速吸收 瞬態能量的特性，同樣可以實現本發明所要達到的目的。
所述的整流二極體電路同樣可應用在降壓型變換器。如圖10所示， 一個典型的降壓型Buck變換器，其在一個工作周期中的電流通道分別 是①、②，其中的LI為串聯在續流二極體D上抑制二極體D反向恢復電流的磁珠。在電流從②迴路切換到①迴路的過程中，整流二極體D中
的大電流快速關斷，其反向恢復電流被磁珠L1抑制，磁珠L1發揮了其 積極作用。而在電流從①迴路切換到②迴路的過程中，因為磁珠L1的 存在，阻止並延緩了續流二極體D的快速導通，同時引起開關管Q的 DS兩端電壓尖峰。同樣可以採用本實用新型所述的整流二極體電路， 整流二極體電路包括續流二極體D，以及與續流二極體D串接的》茲i朱 Ll ,在L1與二極體D組成的串聯電路兩端並聯吸收電路，吸收電路由 吸收二極體Dx、 Dy組成，如圖11所示。在不影響;茲珠抑制二極體D 的反向恢復電流的條件下，由Dx、 Dy組成的吸收電路提供了一個電流 從①向②切換過程中的臨時通道，該通道的快速建立，有助於減小開關 管Q的DS兩端的電壓尖峰，而且不會引起額外的功率損耗。在Q關斷 過程中，電感L中的電流不能突變，而此時二極體D因為有,茲珠L1的 阻止作用，處於截止狀態，於是電流通過Dx+Dy的通道進行續流，有 效減小了 Q'的DS之間的電壓尖峰；之後隨著磁珠L1的飽和，二極體D 開始導通，電流從Dx+Dy中切換到D中來，很好地解決了圖10中磁珠 Ll引起的問題。
同理，本實用新型所述的整流二極體電路還可以應用在隔離變換器 中，如隔離正激、隔離反激、全橋電路等涉及到功率二極體工作於高頻 開關狀態的電路中。圖12給出了在隔離反激變換器中的應用示意圖，由 吸收二極體Dx、 Dy組成的吸收電路並聯在磁珠Ll與二極體D組成的串聯 電路兩端，其工作過程及作用與Boost電路、Buck變換器類似，在此不再 贅述。
從上述可見，在開關電源等涉及到整流二極體工作於高頻開關狀態 的電路中採用本實用新型的整流二極體電路後，具有如下的優點和效果 點1 、不影響磁珠在二極體關斷過程中發揮其抑制反向恢復電流的作
用；
2、 降低了磁珠在二極體開通過程中的負面影響；
3、 可替代普通的RCD吸收電路，提高效率的同時降低了布版難度， 而且吸收效果更優。
可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本實用新型 的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換 都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。
權利要求1、一種工作於開關頻率的整流二極體電路，包括工作在開關狀態的整流二極體，以及與所述整流二極體串接的抑制電感，其特徵在於在所述整流二極體與抑制電感串聯電路的兩端並聯一吸收電路，所述吸收電路單向導通且導通壓降大於所述整流二極體正嚮導通壓降，用於在所述整流二極體從關斷狀態嚮導通狀態的切換過程中提供一臨時電流通道，並在所述整流二極體導通後該吸收電路自動關斷。
2、 根據權利要求1所述的整流二極體電路，其特徵在於所述吸 收電路包括至少一吸收二極體，所述吸收二極體同向串接並與所述整流 二極體同向設置，所述吸收二極體正嚮導通壓降之和大於所述整流二極 管導通壓降。
3、 根據權利要求2所述的整流二極體電路，其特徵在於所述的 吸收電路包括兩個同向串接的吸收二極體。
4、 根據權利要求1所述的整流二極體電路，其特徵在於所述吸 收電路包括一穩壓管以及至少一吸收二極體，所述穩壓管與吸收二極體 同向串接並與所述整流二極體同向設置，所述穩壓管的穩定電壓與所述 吸收二極體正嚮導通壓降之和大於所述整流二極體導通壓降。
5、 根據權利要求4所述的整流二極體電路，其特徵在於所述穩 壓管採用瞬態電壓抑制器，所述瞬態電壓抑制器的嵌位電壓與所述吸收 二極體正嚮導通壓降之和大於所述整流二極體導通壓降。
6、 根據權利要求1至5任一權利要求所述的整流二極體電路，其 特徵在於所述抑制電感為磁珠，套在所述整流二極體的陽極或陰極的 管腳上。
7、根據權利要求6所述的整流二極體電路，其特徵在於所述整 流二極體陽極及陰極的管腳上各套至少一所述磁珠。
專利摘要本實用新型公開了一種工作於開關頻率的整流二極體電路，包括整流二極體，以及與整流二極體串接的磁珠，在所述整流二極體與磁珠串聯電路的兩端並聯一吸收電路，所述吸收電路單向導通且導通壓降大於所述整流二極體正嚮導通壓降，用於在所述整流二極體從關斷狀態嚮導通狀態的切換過程中提供一臨時電流通道，並在所述整流二極體導通後該吸收電路自動關斷。該電路在不影響磁珠在整流二極體關斷過程中其抑制反向恢復電流的前提下，消除了磁珠引起整流二極體開通速度降低的負面影響，限制了開關管源漏兩端電壓尖峰，而且不會增加額外的功耗，並使PCB的布局和走線更加方便簡潔。
文檔編號H02M3/155GK201323530SQ20082023503
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月9日 優先權日2008年12月9日
發明者衛延昌, 姚月鋒, 皖 張 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司