快恢复二极管在直流脉宽调速系统中的应用 选型

摘要
  从理论和实际两个方面阐述了快恢复二极管在功率晶体管保护电路和直流电动机续流电路中的应用，以及在应用中如何选取适当的型号。
  采用大功率晶体管(Giant Transistor，简称CTR)、绝缘栅双极晶体管(Insulatrd Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)、场效应晶体管(M0SFET}等功率开关元件组成的脉宽调制(PWM)型的调速系统具有主电路线路简单、装置效率高、可控性能好、工作稳定、调速范围宽、稳速精度高、抗干扰能力强、对电网干扰小等优点、因此它已成为当今电气传动控制技术的主流。但由于这些功率开关元件很容易损坏，因此在其使用过程中，必须要有较完善的保护电路，而这些系统的工作频率较高，且处于开关状态，而普通二极管的结间电容大，开关时间长，无法胜任保护工作；在直流脉宽调速系统中，直流电动机必须要有续流二极管，同样也不能采用普通极管，快恢复二极管具有反向时间短、开关特性好、正向电流大等优点。其反向恢复时间一般为几十纳秒至几百纳秒，正向压降约为0.6伏，正向额定电流为几安培至几千安培，反向耐压可达几百到几千伏。这样，快恢复二极管就以它突出的优点和特点成为PWM控制系统中不可缺少的功率器件。
  限于篇幅。本文仅以电气技术实验室研制的“直流电动机脉宽调速系统”为例，探讨快恢复二极管的应用。
 
  1.快恢复二极管在“直流电动机脉宽调速系统”中的应用
  1.1 作大功率晶体管的缓冲保护电路中的二极管
  缓冲电路的形式很多，如图1所示的电路是最基本的也是行之有效的一种缓冲保护电路。缓冲电路由电感L_S、电容C_S、电阻R_S和二极管VD_S组成。其中L_S是串联电感。用来限制晶体管VT开通时的电流上升率，由C_S、R_S、VD_S构成并联缓冲电路，主要用来在VT关断时限制集电极电压Uce上升率，使大功率晶体管的工作点轨迹远离安全工作区的为界。
  1.2 作直流电动机的续流二极管
  原理图如图1所示。
  当晶体管VT开通时，直流电动机由电源经晶体管供电，其左端为正，右端为负，电动机正向旋转；当晶体管VT关断时,由于电枢电感的影响，电枢电流不能突变，电动机将产生感生电动势，其左端为负，右端为正，如果没有续流二极管VD，此电动势将与电源电压U_S相加，一起加在晶体管VT的C、E两端，而整个回路的电阻很大，因此晶体管两端的端电压Uce也很高。晶体管必然被击穿。当电路并联有续流二极管VD(如图1所示),在晶体管VT导通时，二极管VD左端为止，右端为负，VD截止;当晶体管截止时。电动机产生感生电动势。左负右正，VD正向导通，给电动机提供--个续流回路，不但可以保护晶体管，同时让电动机电流连续、转矩稳定。

 
  2.工作原理、计算和选型
  2.1缓冲保护电路
  如图1所示，当晶体管VT关断时，VT发射极电流Ie下降，而并联缓冲电流I_S给电容C_S先电，充电电流经二极管VD_S流通，以减小充电损耗。由于晶体管VT关断时间t_off很短，假定在关断过程中负载电流I_L不变，并假定Ic线形下降，则   而   在这段时间内电容CS上的充电电压UCS为   当t=toff时，VT完全关断，IC=0，UCS=US，且负载电流全部转移到续流二极管VD回路中，因此   利用公式（4）就可以计算出缓冲电容的容量。
  由公式（1）和（3可以绘出IC=f(t)、UCS=g(t)的曲线如图2a所示。
  如果忽略VDS上的正向压降，则在晶体管关断过程中其集电极电压Uce≈UCS。可见由于有了缓冲电路，关断过程的Uce是逐渐上升的。将式1和式3联立消去时间变量t，并整理得TV关断过程的工作点移动轨迹。   将式5的关系画在伏安特性图上，如图2b所示，可以看出此轨迹是很安全的。
  上述的基本缓冲电路在TV关断后，由于LS、CS形成震荡电路，CS将继续被充电，Uce≈Ucs将进一步升高，最高几乎达2US，这样晶体管和缓冲电容的耐压都得按高于2US来选择。
  电阻RS和晶体管VT构成缓冲电容CS的放电回路，其中电阻RS是为了限制CS的放电电流，以免在晶体管VT导通时CS的放电电流过大而损坏晶体管。根据调试经验，RS的阻值应由最大放电电流I’_放和电源电压US来决定，即RS=2US/I’_放，而I’_放取（0.1~0.3）IL，电阻的标称功率应由其阻值RS和电容的平均放电电流I’_放来决定。
  快恢复二极管VDS在缓冲电容CS充电是导通，充电电流全部流过快恢复二极管，因此快恢复二极管的额定电流应大于负载电流IL；VDS在缓冲电容CS放电时截止，其承受的方向电压就是RS上的电压，约为2US，因此其额定电压不应低于2US。由于流过VDS的平均电流很小，因此二极管只加上小散热即可。由于功率晶体管的开关频率高，如果VDS用普通二极管代替，则会因其不能快速开通而使功率晶体管VT承受过电压损坏，又会因其不能快速关断而使VDS过热损坏。  
  2.2 直流电动机续流
  如图1所示，VD为直流电动机M的续流二极管。当功率晶体管VT导通时VD截止，电流R经过M流向b，当VT截止时，电机产生感生电动势，b端为正，a端为负，VD正向导通，这样既可避免电机的感生电动势与电源电压叠加后加在晶体管VT上而损坏VT，又可使电机的电流连续，增加电机的机械稳定性。由于功率晶体管的开关频率较高，VD如果采用普通整流二极管，当VT截止时，因VD不能及时导通，VT会因承受过电压而损坏；当VT导通时，因VD不能及时截止，负载电流IL经LS、VT和VD直接流回电源负极，这样VT会因过电流而损坏，VD也会因过热损坏。因此此处也只能用快恢复二极管，其额定电流应大于负载电流IL，方向耐压因大于电源电压；由于流过VD的平均电流较大，因此应加装散热功率足够的散热器，并且要在二极管与散热器之间涂上导硅脂以利于散热，二极管要用螺钉紧固在散热器上。
 
  2.3 型号参考
  快恢复二极管的种类较多，常用的大功率管有“MUR”系列、“BYBP”系列、“FEP”等系列，例如：MUR1680的平均整流电流为16安、反向峰值电压为800伏；MUR3060的平均整流电流为30安、反向峰值电压为600伏；BYBP50的平均整流电流为8安、反向峰值电压为500伏；又如FEP30JP的平均整流电流为30安、反向峰值电压为600伏。具体型号可以用海飞乐技术有限公司的快恢复二极管。
 
  3. 结束语
  快恢复二极管以它显著的优越性，广泛由于脉宽调制器、交流电机变频调速器、开关电源、不间断电源、DC-DC变换器、高频加热装置中，作高频、高压、大功率、大电流整流、续流及保护用，型号的选取要根据具体的应用场合而定，同时还要根据二极管发热量的大小选取适当的散热器进行散热，一般情况还应加装绝缘垫片绝缘，以确保设备和人员的安全。



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