Последние разработки на рынке ПК и телекоммуникаций привели к тому, что частоты переключения силовой электроники расширились от линейных частот до диапазона МГц. Эта тенденция привела к соответствующему развитию технологий электронных коммутационных компонентов, таких как силовые выпрямители и силовые переключатели. На этих частотах переключения важны сверхбыстрые характеристики силового выпрямителя. Диод должен иметь низкий восстанавливающий заряд с плавными характеристиками восстановления и малым падением прямого напряжения при быстром включении. Целью этих указаний по применению является обсуждение параметров диода, влияющих на схему, для разработки надежного источника питания.

Чтобы оценить влияние параметров диода на характеристики схемы, в данных рекомендациях по применению рассматривается пример обратноходовой схемы с использованием MAX1856. В первом разделе кратко описывается схема обратного хода, используемая здесь в качестве примера. Во втором разделе обсуждаются важные параметры диодов, влияющие на переходные процессы переключения в цепи, конструкция снабберной цепи на выходном диоде и влияние проводимости, переключения и обратной блокировки выпрямителя на общую рассеиваемую мощность. Производители быстрых выпрямителей могут указывать все или только некоторые из параметров, обсуждаемых во втором разделе. В третьем и последнем разделе обсуждаются характеристики четырех разных диодов в этой схеме. Это указывает на способ оценки производительности различных диодов в прикладной схеме. Статья завершается ожиданием в будущем улучшения производительности, вызванного дальнейшим технологическим развитием.

MAX1856 Цепь обратного хода

MAX1856 используется здесь (рис. 1) в обратноходовой конфигурации для выработки питания для платы интерфейса абонентской линии (SLIC) от входного напряжения 12 В. Выход -90 В при 0,32 А предназначен для функции звонка, а выход -30 В при 0,15 А для разговорной батареи.

Рисунок 1. Схема блока питания SLIC.

ШИМ-контроллер MAX1856 с токовым режимом использует инвертирующую обратноходовую конфигурацию для создания относительно высоких отрицательных напряжений, необходимых для источников питания SLIC. Контроллер режима ШИМ использует режим тока с фиксированной частотой, где рабочий цикл определяется соотношением входного и выходного напряжения и коэффициентом трансформации трансформатора. Контур обратной связи по току регулирует пиковый ток катушки индуктивности в зависимости от выходного сигнала ошибки. MAX1856 использует внешний чувствительный резистор нижнего плеча (R1 на рис. 1) для контроля пикового тока дросселя. Сразу после включения контроллер отключает схему измерения тока на 100 нс, чтобы минимизировать чувствительность к шуму. Кроме того, фильтр (R10 и C7 на рис. 1) на выводе измерения тока (CS+) повышает помехозащищенность. Эта постоянная времени должна быть достаточно низкой, чтобы не искажать сигнал текущего датчика. Как правило, максимальная постоянная времени R10-C7 должна быть меньше 1/10 ^th минимальный рабочий цикл для правильного функционирования контура управления. Обратитесь к техническому описанию MAX1856 за рекомендациями, подробно описывающими процедуру проектирования этой схемы.

Соотношение витков трансформатора 1:2,2,2 (см. рис. 1), со сложенными вторичными обмотками. Это дает максимальный рабочий цикл 56% при номинальном входном напряжении. Трансформатор Cooper Electronics CTX03-15220 имеет первичную индуктивность приблизительно 4 мкГн с индуктивностью рассеяния L _LP 80 нГн. Предполагая идеальную связь между всеми первичными и вторичными обмотками, это соответствует максимальной индуктивности вторичного рассеяния, L _LS , примерно 3 мкГн.

Пропускная способность трансформатора зависит от рабочей частоты и эффективного объема сердечника и воздушного зазора. Чтобы получить необходимые 30 Вт с использованием ядра EFD20 (трансформатор CTX03-15220), MAX1856 должен работать на максимальной частоте (500 кГц). Эта высокая частота коммутации требует наличия быстродействующего выпрямителя во вторичной обмотке трансформатора. Он должен иметь характеристики быстрого восстановления и быстрого включения с малым падением напряжения в прямом направлении. Очень быстрое восстановление диода может генерировать значительный излучаемый и кондуктивный шум. Выброс наведенного напряжения также может привести к повреждению диода, если оно превышает напряжение пробоя диода. Однако очень медленное восстановление увеличивает потери мощности. Выпрямитель на -90 В при 0,32 А на выходе должно иметь высокое обратное напряжение пробоя, чтобы выдержать выходное напряжение (90 В) плюс отраженное входное напряжение (6 × 12 = 72 В), в данном случае 162 В. Средний номинальный ток диода должен превышать максимальный выходной ток. Для выбора подходящего диода необходимо сначала перечислить важные характеристики выпрямителя.

Характеристики диода и конструкция демпфера

Этот раздел начинается с краткого обсуждения характеристик выпрямителя, за которым следуют рекомендации по конструкции снаббера, а затем заканчивается обсуждением рассеиваемой мощности в выпрямителе.

Формы сигналов и характеристики диодов

используется некоторая вариация p-i-n структуры. Переход из состояния проводимости в состояние блокировки занимает конечное время. Это известно как время обратного восстановления (t _rr ) диода. Далее его можно разделить на время t _a , необходимое для удаления носителей (ток через диод меняется на противоположный в течение короткого периода времени), прежде чем он сможет заблокировать напряжение, и время t _b , в течение которого напряжение на диоде становится отрицательным со скоростью изменения dV _R /dt. Увеличенная инжекция для уменьшения прямого падения напряжения подразумевает больший заряд, который необходимо удалить из внутренней области, прежде чем диод сможет блокировать напряжение. Следовательно, это отрицательно скажется на времени обратного восстановления. Производители выпрямителей с быстрым восстановлением обычно пытаются найти оптимальный компромисс для этих двух требований.

На рис. 2 ниже приведены формы сигналов и определения характеристик восстановления выпрямителя с быстрым восстановлением. Снятие накопленного заряда в собственной области происходит за счет протекания большого обратного тока за время t _и . По истечении этого времени переход становится смещенным в обратном направлении. Обратный ток в этой точке определяется как пиковый обратный ток восстановления, I _RRM . Значение I _RRM пропорционально скорости изменения прямого тока при пересечении нуля dI _F /dt.

I _RRM = (dI _F /dt) × t _a

Затем обратный ток уменьшается за счет рекомбинации со скоростью dI _R /dt за время t _б . Сумма обратного возмещения указана по номеру

Q _RR = (I _RRM × t _rr )/2

Где t _rr = t _a + t _b

Некоторые спецификации выпрямителей могут определять коэффициент мягкости S, где

S = (t _a /t _b )

Напряжение на диоде становится отрицательным со скоростью, пропорциональной dI _R /dt. Во время восстановления диода это изменение тока приведет к выбросу обратного напряжения из-за паразитной индуктивности L _LS во вторичной обмотке трансформатора. Тогда пиковое обратное напряжение V _RRM определяется как

В _RRM = L _LS × dI _R /dt

Рис. 2. Кривые обратного восстановления и их определения.

Если пиковое обратное напряжение слишком велико, это может привести к повреждению переключающего выпрямителя. Кроме того, очень высокая скорость изменения будет генерировать значительный излучаемый и кондуктивный шум. Однако, если скорость изменения слишком мала, время обратного восстановления будет увеличиваться, что приведет к увеличению рассеиваемой мощности в выпрямителе во время этого перехода из проводящего состояния в заблокированное, как обсуждается ниже (см. раздел «Рассеивание мощности выпрямителя»).

Конструкция амортизатора

Паразитная собственная емкость диода C _D определяется как

C _D = (I _RRM × t _rr )/(2 × V _RRM )

Эта паразитная емкость C _D резонирует с паразитной индуктивностью L _LS во вторичной обмотке трансформатора и вызывает проблемы с шумом в сигнале измерения тока и в прикладной схеме в целом. Чтобы погасить этот звон, можно использовать RC-демпфер на катоде вторичного выпрямителя (D2) на рис. 1 (демпфер размещается на этом выпрямителе, так как выходная мощность, требуемая от этого выхода, наибольшая). Значения снабберной составляющей R5 и C10 определяются (см. рис. 1)

R5 = √(L _LS /C _D ) и C10 = 3 × C _D или C10 = 4 × C _D

Рассеиваемая мощность выпрямителя

Наконец, рассматривается рассеиваемая мощность выпрямителя в различных режимах работы. Во время включения выключателя энергия накапливается и накапливается в трансформаторе. В этот период выпрямитель находится в состоянии блокировки. Потери в заблокированном состоянии можно выразить как

П _Р = I _R × V _R × D

Где I _R — обратный ток утечки в диоде, V _R — обратное напряжение на диоде, а D — рабочий цикл.

По истечении этого периода переключатель выключается, и энергия передается на выход. Теперь диод начинает проводить ток, и мощность, рассеиваемая на диоде, составляет

P _F = I _F × V _F × (1-D)

Где I _F — прямой ток в диоде, а V _F — прямое падение напряжения на диоде.

В конце этого цикла диод выключается и переходит в запирающее состояние. Рассеиваемая мощность при переходе из состояния проводимости в состояние блокировки определяется как

P _rec = V _RRM × I _RRM × 0,5 × f × t _b

Где I _RRM — пиковый обратный ток восстановления, V _RRM — пиковое обратное напряжение, а f — частота коммутации.

Выбор диода

Обсуждение здесь сосредоточено на выборе диода для вторичного выхода -90В на 0,32А (D2). Предполагая, что пульсации тока во вторичной обмотке составляют 0,5 А, необходим выпрямитель, рассчитанный как минимум на прямой ток 1 А для напряжения -90 В при выходном токе 0,32 А. Как упоминалось ранее, диод должен выдерживать обратное напряжение не менее 162В. Однако, исходя из приведенного выше обсуждения, способность обратного напряжения блокировки должна быть несколько выше, чтобы защитить от повреждения из-за выброса напряжения во время обратного восстановления. Поэтому рассматриваются только выпрямители с возможностью обратной блокировки не менее 200В. В таблице 1 ниже перечислены рассматриваемые диоды и некоторые из них для комнатной температуры (T _C = 25°C). Обратный ток утечки I _R, этих диодов составляет 100 мкА (наихудший случай), поэтому при обратном напряжении V _R , равном 162 В, в выпрямителе в блокирующее состояние. Точно так же рассеиваемая мощность в прямом направлении варьируется от 115 мВт до 180 мВт для выпрямителей, рассмотренных в таблице 1.

Таблица 1. Выпрямители со сверхбыстрым восстановлением

Поставщик	Деталь №	В Р В	И Ф А	В Ф в Я Ф = 1А	т рр нс у I F = 1А; dI F /dt=50 А/мкс; В Ч =200 В*
Центральный полупроводник	CMR1U-02	200	1	1	50
Центральный полупроводник	CMR1U-04	400	1	1,25	50
Международный выпрямитель	8ЭТУ-04	400	8	0,8	60
Фэирчайлд Полупроводник	ИСЛ9Р1560П2	600	15	0,8	60
Примечание : *оценено приблизительно по параметрам, указанным в технических паспортах.

Эти диоды были использованы в прикладной схеме на Рисунке 1 без демпфера, чтобы лучше измерить задействованные параметры. Эффективность преобразования мощности для максимальной выходной мощности около 30 Вт составила около 79% до 80% во всех случаях. В Таблице 2 ниже приведены параметры обратного восстановления для четырех различных диодов и КПД при выходной мощности 30 Вт.

Шум без демпферов приводил к чрезмерному дрожанию сигнала (> 4%). Поэтому во вторичном выпрямителе D2 был введен демпфер RC (рис. 1). Этот демпфер выбран для демпфирования паразитного резонанса, а также помогает сдерживать выбросы напряжения во время обратного восстановления. На основе обсуждения в предыдущем разделе были рассчитаны следующие значения (таблица 3) для снабберных компонентов R5 и C10 (при условии, что C10 = 3 × CD).

Значения достаточно близки друг к другу во всех случаях. Демпфер с R5 = 150 Ом и C10 = 330 пФ эффективно гасит колебания. Если сопротивление снаббера значительно больше, то снаббер не сможет гасить колебания паразитного резонансного контура. Если сопротивление снаббера значительно меньше значений, приведенных в таблице 3, то емкость снаббера по существу появляется на емкости выпрямителя. Схема недостаточно демпфирована и будет резонировать на частоте f _res1 задано

f _res1 = √(2π × L _LS × [C _D + C10])

Джиттер был снижен до незначительного уровня (< 2%) во всех случаях с помощью снаббера. На рис. 3 показаны осциллограммы напряжения на катоде (относительно GND) выпрямительного диода D2 (CMR1U-02, см. рис. 1) с RC-демпфером и без него.

Рисунок 3А. Напряжение на катоде выпрямителя Д2 без снаббера. (Ch2= форма волны напряжения на EXT/контакте 8 MAX1856; Ch3= катод выпрямителя D2).

Рисунок 3B. Напряжение на катоде выпрямителя D2 со снаббером (R5=150 Ом; C10=330 пФ). (Ch2= форма волны напряжения на EXT/контакте 8 MAX1856; Ch3= катод выпрямителя D2).

Значения для «зажатых» V _RRM и I _RRM , параметры переключения и коэффициенты полезного действия приведены в таблице 4 для всех четырех случаев.

Диод Central Semiconductor CMR1U-02 с номиналом 200 В оказался лучшим выбором для этого приложения.