CN201323530Y - 一种工作于开关频率的整流二极管电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种工作于开关频率的整流二极管电路，包括整流二极管，以及与整流二极管串接的磁珠，在所述整流二极管与磁珠串联电路的两端并联一吸收电路，所述吸收电路单向导通且导通压降大于所述整流二极管正向导通压降，用于在所述整流二极管从关断状态向导通状态的切换过程中提供一临时电流通道，并在所述整流二极管导通后该吸收电路自动关断。该电路在不影响磁珠在整流二极管关断过程中其抑制反向恢复电流的前提下，消除了磁珠引起整流二极管开通速度降低的负面影响，限制了开关管源漏两端电压尖峰，而且不会增加额外的功耗，并使PCB的布局和走线更加方便简洁。

Description

一种工作于开关频率的整流二极管电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种用于开关电源中工作于开关频率的整流二极管电路。

背景技术

在开关电源中广泛使用二极管作为整流器件，工作于开关频率的整流二极管处于不断开通-关断-开通...的工作模式下，反复的被切断和通过大的电流。由于这种工作模式下电流相对时间(di/dt)的变化大，加上二极管的反向恢复电流，不仅会引起电路噪声，同时会对电路中其他器件造成影响。

在实际应用中，开关电源经常通过在整流二极管引线脚上套磁珠的方法，来抑制二极管关断时产生的反向恢复电流。这种方法在抑制二极管反向恢复电流的同时也呈现出其固有缺点，即，降低了整流二极管的开通速度，这会带来其他方面不良的影响。现以PFC(功率因数校正)电路为例来说明。在开关电源交流输入端会使用Boost升压变换器来实现功率因数校正，同时将交流电压变换成直流高电压，以减小因为非线性负载引起的谐波对电网的“污染”。Boost变换器的电路结构如图1所示：PWM控制信号使功率开关MOS管Q工作于高频开关状态，电感L中流过高频的脉动电流。为防止整流二极管D的反向恢复电流引起EMI干扰(EMI-Electromagnetic Interference-电磁干扰)，在整流二极管的阳极引线脚上加一个小磁珠L1，如图2所示。开关管Q开通瞬间，电感L中的电流需要从回路①切换到回路②中，切换过程中整流二极管电流过零时，磁珠L1呈现出高的阻抗，有效地抑制了整流二极管反向恢复电流引起的电流尖峰，实现了使用该磁珠L1的目的。然而磁珠L1在抑制反向恢复电流的同时，减慢了整流二极管的开通速度，即在开关管Q关断瞬间，该磁珠同样会阻止电流从回路②向回路①的切换。这导致在此过程中电感L中的能量没有泻放回路，就会造成开关管Q的DS(漏极和源极)两端出现高的电压尖峰，而且电流越大，电压尖峰越大，不仅是潜在的EMI干扰源，而且会引起开关管Q的DS(漏极和源极)过电压击穿，增加了开关管的选型难度。

现有技术在解决这个问题的方法，一般是通过如图3所示的RCD吸收电路对电压尖峰进行处理。该吸收电路与开关管Q并联，其工作原理为：当开关管Q关断瞬间，磁珠L1未饱和而呈现高阻状态期间，电感L中的能量通过吸收电路的二极管D1给C3电容进行充电，为电感L提供了泄放回路，限制了开关管Q的DS两端电压尖峰；在开关管Q导通期间，C3中的能量通过吸收电路的电阻R流过开关管Q的DS进行泄放。该方法的缺点主要有两个：

①.吸收电路消耗能量，同时也增加了开关MOS导通过程的功耗，降低了电源的效率；

②.元件数量多，增加了板卡体积且不利于PCB布版。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供一种工作于开关频率的整流二极管电路，该电路解决了在采用磁珠抑制整流二极管反向恢复电流的同时引起整流二极管开通速度低的问题，并且不增加额外的功耗。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种工作于开关频率的整流二极管电路，包括工作在开关状态的整流二极管，以及与所述整流二极管串接的抑制电感，在所述整流二极管与抑制电感串联电路的两端并联一吸收电路，所述吸收电路单向导通且导通压降大于所述整流二极管正向导通压降，用于在所述整流二极管从关断状态向导通状态的切换过程中提供一临时电流通道，并在所述整流二极管导通后该吸收电路自动关断。

所述的整流二极管电路，其中：所述吸收电路包括至少一吸收二极管，所述吸收二极管同向串接并与所述整流二极管同向设置，所述吸收二极管正向导通压降之和大于所述整流二极管导通压降。

所述的整流二极管电路，其中：所述的吸收电路包括两个同向串接的吸收二极管。

所述的整流二极管电路，其中：所述吸收电路包括一稳压管以及至少一吸收二极管，所述稳压管与吸收二极管同向串接并与所述整流二极管同向设置，所述稳压管的稳定电压与所述吸收二极管正向导通压降之和大于所述整流二极管导通压降。

所述的整流二极管电路，其中：所述稳压管采用瞬态电压抑制器，所述瞬态电压抑制器的嵌位电压与所述吸收二极管正向导通压降之和大于所述整流二极管导通压降。

所述的整流二极管电路，其中：所述抑制电感为磁珠，套在所述整流二极管的阳极或阴极的管脚上。

所述的整流二极管电路，其中：所述整流二极管阳极及阴极的管脚上各套至少一所述磁珠。

本实用新型的有益效果为：采用本实用新型的整流二极管电路，在不影响磁珠在整流二极管关断过程中其抑制反向恢复电流的前提下，消除了磁珠引起整流二极管开通速度降低的负面影响，限制了开关管DS两端电压尖峰，并且不会增加额外的功耗，不仅改善了开关电路的电磁兼容性(EMC)，降低了开关管DS间电压尖峰以及功耗，同时由于采用的元件少且体积小，降低了布版的难度，使PCB的布局和走线更加方便简洁。

附图说明

图1为现有技术Boost电路原理图；

图2为现有技术在整流二极管阳极增加磁珠的Boost电路以及磁珠在电路中作用的示意图；

图3为现有技术采用RCD吸收电路的Boost电路；

图4为本实用新型整流二极管电路实施例一；

图5为本实用新型开关管Q关断瞬间吸收二极管的嵌位作用示意图；

图6为本实用新型开关管Q关断期间磁珠饱和后的等效电路；

图7为磁珠串接在整流二极管D阴极管脚上的示意图；

图8为本实用新型整流二极管电路实施例二；

图9为本实用新型整流二极管电路实施例三；

图10为现有技术在整流二极管管脚增加磁珠的降压型变换器原理图；

图11为在降压变换器中采用本实用新型整流二极管电路的示意图；

图12为在隔离变换器中采用本实用新型整流二极管电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步详细说明：

本实用新型的一种整流二极管电路，应用于开关电源等涉及到整流二极管工作于高频开关状态的电路中，例如升压型变换器Boost电路、降压型变换器(Buck变换器)、隔离变换器等。本实用新型的整流二极管电路包括工作在开关状态的整流二极管，以及与整流二极管串接的抑制电感，该抑制电感是用来抑制整流二极管反向恢复电流的，采用套在整流二极管引脚上的磁珠实现。为了克服磁珠的作用引起整流二极管开通速度降低的问题，在所述整流二极管与磁珠串联电路的两端并联一吸收电路，该吸收电路单向导通，并且该吸收电路导通时的压降大于整流二极管正向导通压降，用于在所述整流二极管从关断状态向导通状态的切换过程中提供一临时电流通道，并且该吸收电路在整流二极管导通后自动关断。在实际应用中吸收电路可以有多种实现方式，以下以Boost电路为例对工作于高频开关状态的整流二极管电路进行详细说明。

如图4所示的实施例一，整流二极管电路包括整流二极管D，以及与整流二极管串接的磁珠L1，磁珠可以套在整流二极管D的阳极管脚上，也可以套在整流二极管D的阴极管脚上，如图7中所示的L2，其效果相同。套在整流二极管D阳极或阴极管脚的磁珠可以是一个，也可以多个。整流二极管D与磁珠L1形成的串联电路(L1+D)连接在Boost电路的升压电感L及开关管Q的接点与电压输出端之间。吸收电路由两个同向串联的吸收二极管Dx、Dy组成的二极管串联电路(Dx+Dy)实现，吸收二极管Dx、Dy应满足以下条件，即，吸收二极管Dx、Dy在正常导通时其导通压降VDx+VDy大于二极管D的导通压降VD。由吸收二极管Dx、Dy组成的吸收电路并联在在磁珠L1和整流二极管D两端，并且吸收二极管Dx、Dy的方向与整流二极管D同向设置，即Dx、Dy正向导通电流与整流二极管正向导通电流方向相同。所述整流二极管电路工作于高频开关状态下，在一个开关周期中其工作原理和其作用如下：

整流二极管D关断过程：该过程为开关管Q由截止状态向导通状态变化，整流二极管D由导通状态向截止状态变化。由于吸收二极管Dx、Dy在正常导通的时候其导通压降VDx+VDy大于二极管D的导通压降VD，因此开关管Q截止时的导通电流是通过整流二极管D的，而Dx、Dy中电流为零，即在整流二极管D关断前只有整流二极管D中有电流流过，因而关断过程中只有整流二极管D存在反向恢复电流，这个反向恢复电流通过磁珠L1可以加以抑制，而引入的两个吸收二极管Dx、Dy由于在磁珠L1和整流二极管D电路之外且无正向电流流过，故不存在反向恢复电流且不对电路有任何作用，因此也不会影响磁珠L1对二极管D反向恢复电流的抑制效果。

整流二极管D开通过程：该过程为开关管Q由导通状态向截止状态变化，而整流二极管D由截止状态向导通状态变化。在开关管Q关断后，由于磁珠L1在切换过程中的一段时间内呈现出高的阻抗，升压电感L-磁珠L1-整流二极管D-滤波电容C2的回路无电流流过，升压电感L中的电流则通过吸收电路的二极管Dx，Dy流入电容C2，释放了L中的能量，不仅防止了在开关管Q的DS两端产生电压尖峰，同时将能量注入到C2中去，不会造成额外的功耗，此时等效电路如图5所示。切换过程结束之后，由于吸收二极管Dx、Dy上的压降VDx+VDy大于二极管D上的导通压降VD，且电流流过L1+D的串联电路后造成磁珠L1饱和，整流二极管D的导通压降VD＜VDx+VDy，无法使两个串联的二极管Dx，Dy达到正常的导通电压而导致二极管Dx，Dy截止，因此全部电流转移到整流二极管D中，吸收电路Dx+Dy中电流变为零，吸收电路自动关断，此时等效电路如图6所示。直到下一个整流二极管关断时刻到来后进入下一个工作周期。由此可见，这种并联在在磁珠L1和整流二极管D两端的吸收电路既不影响磁珠抑制整流二极管反向恢复电流的效果，又解决了磁珠引起整流二极管开通速度降低的问题，并且不增加额外的功耗。

在实际应用中，吸收电路可以增加或者减少吸收二极管的数量，以用来调整整流二极管D导通之前磁珠L1呈现高阻状态的时间。例如可以单独采用一个吸收二极管，也可以采用3个或更多的吸收二极管同向串联而成，但无论采用几个吸收二极管，都要满足各吸收二极管正向导通压降之和大于整流二极管导通压降的条件。

本实用新型的实施例二如图8所示，吸收电路与上述实施例一相同，由两个同向串联的吸收二极管Dx、Dy组成，所不同的是在整流二极管D的阳极、阴极管脚各套至少一磁珠，例如各套一个磁珠L1、L2，吸收电路并联在L1-D-L2串联电路两端。本实施例由于采用两个磁珠，使得整流二极管D关断过程中其抑制反向恢复电流的效果更好。

本实用新型的实施例三如图9所示，吸收电路包括一稳压管以及至少一吸收二极管Dy，稳压管可采用瞬态电压抑制器TVS实现(TVS-Transient voltage suppressor)，TVS与吸收二极管Dy同向串接，即TVS的阴极连接Dy阳极，并且串接后的TVS和Dy与整流二极管同向设置，并联在磁珠L1与二极管D组成的串联电路两端。由稳压管和一吸收二极管Dy组成的吸收电路同样需要满足以下条件，即稳压管的稳定电压Vz与吸收二极管Dy正向导通压降VDy之和Vz+VDy应大于整流二极管导通压降VD，若稳压管采用TVS时，TVS的嵌位电压与吸收二极管Dy正向导通压降之和应大于整流二极管导通压降VD。该实施例的吸收电路中用TVS替代一个或多个吸收二极管，利用TVS管能够快速吸收瞬态能量的特性，同样可以实现本发明所要达到的目的。

所述的整流二极管电路同样可应用在降压型变换器。如图10所示，一个典型的降压型Buck变换器，其在一个工作周期中的电流通道分别是①、②，其中的L1为串联在续流二极管D上抑制二极管D反向恢复电流的磁珠。在电流从②回路切换到①回路的过程中，整流二极管D中的大电流快速关断，其反向恢复电流被磁珠L1抑制，磁珠L1发挥了其积极作用。而在电流从①回路切换到②回路的过程中，因为磁珠L1的存在，阻止并延缓了续流二极管D的快速导通，同时引起开关管Q的DS两端电压尖峰。同样可以采用本实用新型所述的整流二极管电路，整流二极管电路包括续流二极管D，以及与续流二极管D串接的磁珠L1，在L1与二极管D组成的串联电路两端并联吸收电路，吸收电路由吸收二极管Dx、Dy组成，如图11所示。在不影响磁珠抑制二极管D的反向恢复电流的条件下，由Dx、Dy组成的吸收电路提供了一个电流从①向②切换过程中的临时通道，该通道的快速建立，有助于减小开关管Q的DS两端的电压尖峰，而且不会引起额外的功率损耗。在Q关断过程中，电感L中的电流不能突变，而此时二极管D因为有磁珠L1的阻止作用，处于截止状态，于是电流通过Dx+Dy的通道进行续流，有效减小了Q的DS之间的电压尖峰；之后随着磁珠L1的饱和，二极管D开始导通，电流从Dx+Dy中切换到D中来，很好地解决了图10中磁珠L1引起的问题。

同理，本实用新型所述的整流二极管电路还可以应用在隔离变换器中，如隔离正激、隔离反激、全桥电路等涉及到功率二极管工作于高频开关状态的电路中。图12给出了在隔离反激变换器中的应用示意图，由吸收二极管Dx、Dy组成的吸收电路并联在磁珠L1与二极管D组成的串联电路两端，其工作过程及作用与Boost电路、Buck变换器类似，在此不再赘述。

从上述可见，在开关电源等涉及到整流二极管工作于高频开关状态的电路中采用本实用新型的整流二极管电路后，具有如下的优点和效果点：

1、不影响磁珠在二极管关断过程中发挥其抑制反向恢复电流的作用；

2、降低了磁珠在二极管开通过程中的负面影响；

3、可替代普通的RCD吸收电路，提高效率的同时降低了布版难度，而且吸收效果更优。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1、一种工作于开关频率的整流二极管电路，包括工作在开关状态的整流二极管，以及与所述整流二极管串接的抑制电感，其特征在于：在所述整流二极管与抑制电感串联电路的两端并联一吸收电路，所述吸收电路单向导通且导通压降大于所述整流二极管正向导通压降，用于在所述整流二极管从关断状态向导通状态的切换过程中提供一临时电流通道，并在所述整流二极管导通后该吸收电路自动关断。

2、根据权利要求1所述的整流二极管电路，其特征在于：所述吸收电路包括至少一吸收二极管，所述吸收二极管同向串接并与所述整流二极管同向设置，所述吸收二极管正向导通压降之和大于所述整流二极管导通压降。

3、根据权利要求2所述的整流二极管电路，其特征在于：所述的吸收电路包括两个同向串接的吸收二极管。

4、根据权利要求1所述的整流二极管电路，其特征在于：所述吸收电路包括一稳压管以及至少一吸收二极管，所述稳压管与吸收二极管同向串接并与所述整流二极管同向设置，所述稳压管的稳定电压与所述吸收二极管正向导通压降之和大于所述整流二极管导通压降。

5、根据权利要求4所述的整流二极管电路，其特征在于：所述稳压管采用瞬态电压抑制器，所述瞬态电压抑制器的嵌位电压与所述吸收二极管正向导通压降之和大于所述整流二极管导通压降。

6、根据权利要求1至5任一权利要求所述的整流二极管电路，其特征在于：所述抑制电感为磁珠，套在所述整流二极管的阳极或阴极的管脚上。

7、根据权利要求6所述的整流二极管电路，其特征在于：所述整流二极管阳极及阴极的管脚上各套至少一所述磁珠。

Images