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  • Boost變換器的二極管介紹
    • 發布時間:2024-10-14 22:02:52
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    Boost變換器的二極管介紹
    對于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是有一個開關管和一個二極管,而同步Boost是兩個開關管。
    Boost變換器的二極管
    圖6.19 DCM模式下Boost電路的電感的實測波形
    對于Boost電路,小電流場景下,有一些控制器還是非同步的Boost電路。所以會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,首先分析在開關管導通和關閉時電流的路徑。如圖6.20所示,開關管關閉,電感儲存的能量給輸出電容和負載提供能量,電流路徑為圖6.20右圖虛線箭頭方向,此時二極管D1導通。
    Boost變換器的二極管
    圖6.20 CCM模式下Boost電路的兩個狀態
    開關管導通,電感進行儲存能量,電源的輸出電容維持輸出電壓Vout同時給負載供電,這時二極管的單向導通性就發揮其作用了,不允許電流經過,那么電容的放電路徑只能是流向負載。此時二極管的兩端電壓分別為0V和Vout,但是正好的是反向截止,此時二極管電流為0A。
    那如果短路二極管D1后,又會發生什么情況呢?
    假設,二極管D1短路后,電容C2的放電路徑會增加一條,此時開關管導通,我們都知道開關管在導通的狀態下還是會存在一個很小的電阻,這個時候增加一條放電路徑,C2的能量就會損失,造成了Boost升壓的無法工作。以上僅為假設。所以在Boost升壓電路中的二極管作用是隔離。
    在開關管導通時,流過二極管的電流為0A,開關管關閉時,電感在放電,流過二極管的電流在線性減小。在這個過程中流過二極管的電流是一個變化的,存在峰值電流和平均電流,這時就需要考慮二極管的通流能力。
    開關管關斷時,流過二極管的電流約等于輸出電流Iout,假設流過二極管的平均電流Id,導通壓降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,選擇二極管時盡量選擇正向導通壓降Vd小的二極管,讓電感儲存的能量盡可能多的提供給負載,不要浪費給二極管。
    二極管的實際電流波形,還有一個負電流尖峰。
    Boost變換器的二極管
    二極管還是會存在一個反向恢復時間,這樣就會存在一個尖峰。實際應用中的二極管,在電壓突然反向時,二極管電流并不是很快減小到0,而是會有比較大的反向電流存在,這個反向電流降低到最大值的0.1倍所需的時間,就是反向恢復時間。在這個反向恢復時間里,二極管可以通過較大的反向電流,所以在波形圖中就出現一個較大的反向電流尖峰。
    由于二極管外加正向電壓 時,P 區的空穴向 N 區擴散,N 區的電子向 P 區擴散,不僅使得耗盡層變窄,而且使得載流子有相當數量的存儲,在 P 區內存儲了電子,在N 區內存儲了空穴,它們都是非平衡少子。
    一個二極管從沒有導通到導通,一定是需要能量的。從截止到導通需要能量,從導通到截止也需要能量。
    把正向導通時,非平衡少子積累的現象叫做 電荷存儲效應。
    當輸入電壓突然由正壓變為負壓時, P 區存儲的電子和 N 區存儲的空穴不會馬上消失,它們會通過以下兩個途徑逐漸減少:
    1.在反向電場的作用下, P 區電子被拉回 N 區, N 區空穴被拉回 P 區,形成反向漂移電流 ;
    2.與多數載流子復合消失。
    這些能量變化的過程,不但有能量的損耗,同時還需要占用時間。
    由上可知,二極管的反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間,而這個Trr也會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,二極管的正向導通壓降Vf越小越好。
    3、二極管最大正向電流If須大于負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、 二極管反向恢復時間Trr越小越好。
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