Boost變換器的二極管

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對(duì)于Boost電路，跟Buck電路一樣都有同步與非同步。如圖6.19所示，非同步Boost是有一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)二極管，而同步Boost是兩個(gè)開關(guān)管。

圖6.19 DCM模式下Boost電路的電感的實(shí)測(cè)波形

對(duì)于Boost電路，小電流場(chǎng)景下，有一些控制器還是非同步的Boost電路。所以會(huì)使用二極管作為電路的組成部分。

分析二極管在Boost電路中的作用，首先分析在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)電流的路徑。如圖6.20所示，開關(guān)管關(guān)閉，電感儲(chǔ)存的能量給輸出電容和負(fù)載提供能量，電流路徑為圖6.20右圖虛線箭頭方向，此時(shí)二極管D1導(dǎo)通。

圖6.20 CCM模式下Boost電路的兩個(gè)狀態(tài)

開關(guān)管導(dǎo)通，電感進(jìn)行儲(chǔ)存能量，電源的輸出電容維持輸出電壓Vout同時(shí)給負(fù)載供電，這時(shí)二極管的單向?qū)ㄐ跃桶l(fā)揮其作用了，不允許電流經(jīng)過，那么電容的放電路徑只能是流向負(fù)載。此時(shí)二極管的兩端電壓分別為0V和Vout，但是正好的是反向截止，此時(shí)二極管電流為0A。

那如果短路二極管D1后，又會(huì)發(fā)生什么情況呢？

假設(shè)，二極管D1短路后，電容C2的放電路徑會(huì)增加一條，此時(shí)開關(guān)管導(dǎo)通，我們都知道開關(guān)管在導(dǎo)通的狀態(tài)下還是會(huì)存在一個(gè)很小的電阻，這個(gè)時(shí)候增加一條放電路徑，C2的能量就會(huì)損失，造成了Boost升壓的無法工作。以上僅為假設(shè)。所以在Boost升壓電路中的二極管作用是隔離。

在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流過二極管的電流為0A，開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電感在放電，流過二極管的電流在線性減小。在這個(gè)過程中流過二極管的電流是一個(gè)變化的，存在峰值電流和平均電流，這時(shí)就需要考慮二極管的通流能力。

開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，流過二極管的電流約等于輸出電流Iout，假設(shè)流過二極管的平均電流Id，導(dǎo)通壓降Vd，那么二極管的平均功率Pd=Id*Vd，為了提高輸出效率，減小功率損耗，選擇二極管時(shí)盡量選擇正向?qū)▔航礦d小的二極管，讓電感儲(chǔ)存的能量盡可能多的提供給負(fù)載，不要浪費(fèi)給二極管。

二極管的實(shí)際電流波形，還有一個(gè)負(fù)電流尖峰。

二極管還是會(huì)存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間，這樣就會(huì)存在一個(gè)尖峰。實(shí)際應(yīng)用中的二極管，在電壓突然反向時(shí)，二極管電流并不是很快減小到0，而是會(huì)有比較大的反向電流存在，這個(gè)反向電流降低到最大值的0.1倍所需的時(shí)間，就是反向恢復(fù)時(shí)間。在這個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間里，二極管可以通過較大的反向電流，所以在波形圖中就出現(xiàn)一個(gè)較大的反向電流尖峰。

由于二極管外加正向電壓 時(shí)，P 區(qū)的空穴向 N 區(qū)擴(kuò)散，N 區(qū)的電子向 P 區(qū)擴(kuò)散，不僅使得耗盡層變窄，而且使得載流子有相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)，在 P 區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子，在N 區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴，它們都是非平衡少子。

一個(gè)二極管從沒有導(dǎo)通到導(dǎo)通，一定是需要能量的。從截止到導(dǎo)通需要能量，從導(dǎo)通到截止也需要能量。

把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少子積累的現(xiàn)象叫做 電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。

當(dāng)輸入電壓突然由正壓變?yōu)樨?fù)壓時(shí)， P 區(qū)存儲(chǔ)的電子和 N 區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，它們會(huì)通過以下兩個(gè)途徑逐漸減少：

1.在反向電場(chǎng)的作用下， P 區(qū)電子被拉回 N 區(qū)， N 區(qū)空穴被拉回 P 區(qū)，形成反向漂移電流 ；

2.與多數(shù)載流子復(fù)合消失。

這些能量變化的過程，不但有能量的損耗，同時(shí)還需要占用時(shí)間。

由上可知，二極管的反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間，而這個(gè)Trr也會(huì)決定二極管的最大工作頻率。

1、二極管反向電壓大于Boost工作過程中最大的反向電壓Vout,并留有一定的余量。

2、考慮到電源的效率，二極管的正向?qū)▔航礦f越小越好。

3、二極管最大正向電流If須大于負(fù)載最大電流即輸出最大電流Iload，并留有余量。正向峰值電流Ifsm需大于電感峰值電流IL_max，并留有余量。

3、 二極管反向恢復(fù)時(shí)間Trr越小越好。

審核編輯 黃宇