优化电源设计:反激二极管选择与注意事项

news2024/12/23 13:11:30

反激二极管也被称为续流二极管、缓冲二极管、抑制二极管、钳位二极管或换向二极管,是一种电子元件,通常应用在开关电源和其他涉及电感性负载的电路中。它的主要功能是保护电路,防止感性负载在开关断开时产生的反激电压(或反电动势)对电路造成损害。

当电路中的开关元件(如晶体管)关闭时,流经电感的电流不能瞬间改变,这会导致电感两端产生一个高压脉冲,即反激电压。反激二极管被连接在电路中,以便在开关关闭时立即导通,为电感器中储存的能量提供一个释放的通路,通常是回到电源或者在电路的其他部分耗散掉。这样既保护了开关元件不受高电压尖峰的冲击,又提高了能量的利用率。

在反激变换器拓扑中,#反激二极管#尤其关键,它参与了能量的传递过程,当开关管关闭时,变压器次级绕组感应的电压使二极管正向导通,完成能量从变压器到输出负载的传递,并在下一个开关周期前为电感元件中的磁场能量提供释放途径。为了减小能量损耗和提高效率,常选用具有快速恢复特性的二极管,如快恢复二极管或肖特基二极管。

反激二极管工作原理

我们通常所说的“反激二极管”因其在电路中具有续流作用而得名。一般选用快恢复二极管或肖特基二极管作为“反激二极管”,在电路中通常用于保护元件不被感应电压击穿或烧坏,并联在两端产生感应电动势的元件,与其形成回路,使产生的高电动势被回路中的续流电流消耗掉,从而保护电路中的元件不被损坏。

反激二极管并联在线圈的两端。当线圈通过电流时,线圈两端会产生感应电动势。当电流消失时,其感应电动势在电路中的元件上产生反向电压。当反向电压高于元件的反向击穿电压时,就会导致三极管、晶闸管等元件损坏。回扫二极管并联在线圈两端。当流过线圈的电流消失时,线圈产生的感应电动势被二极管与线圈形成的电路所消耗,从而保护了电路中其他元件的安全。

反激二极管工作原理

反激二极管反并联在电路中的继电器或电感线圈的两端。当电感线圈断电时,两端的电动势并不会立即消失。此时,残余电动势通过二极管释放。起到这种作用的二极管称为反激二极管。其实它还是一个二极管,只不过这里只起到续流的作用。例如,继电器线圈两端反接的二极管或者单向晶闸管两端反接的 也是反接的。 

为什么要反接二极管?由于继电器的线圈是一个大的电感器,它可以以磁场的形式存储电能,所以当它吸合时,它存储了大量的磁场。当控制继电器的三极管由导通变为截止时,线圈断电,但线圈内有磁场。此时会产生反向电动势,电压可高达1000V以上,很容易击穿三极管或其他电路元件。这是因为二极管的连接正好与反向电动势同向,而反向电动势通过反激二极管以电流的形式被中和,从而保护其他电路元件,所以一般都是采用二极管更快的切换速度。与晶闸管电路一样,晶闸管一般用作接触开关。如果控制大的感性负载,也会产生同样的高压反电动势,其原理与继电器相同。反激二极管也用在显示器上,一般用在消磁继电器的线圈上。

反激二极管的工作准则

反激二极管功能

反激二极管通常与储能元件一起使用,以防止电压和电流突然变化并提供路径。电感可以通过它向负载提供连续的电流,从而避免负载电流突然变化,起到平滑电流的作用。在开关电源中,可以看到由二极管和电阻串联组成的续流电路。该电路与变压器的初级侧并联。当开关二极管关断时,续流电路可以释放变压器线圈中储存的能量,防止感应电压过高而击穿开关二极管。一般可选择快恢复二极管或肖特基二极管,用于以电流的形式耗散线圈产生的反向电势。可见,“反激二极管”并不是一个实质性的元件,只是在电路中起到一定的作用。这种效应称为“连续流”。

反激二极管的应用及注意事项

反激二极管广泛应用于各种需要处理反电动势或感应电压的电路中,特别是在开关电源和电感性负载控制领域。以下是一些主要应用及注意事项:

应用场景:

  1. 开关电源:特别是在反激式开关电源中,反激二极管用于在开关管关闭期间,通过变压器次级向负载提供能量并保持输出电压稳定。

  2. 电机控制:在直流电机的电枢回路中,反激二极管用于在电机线圈断电时,为电机产生的反电动势提供通路,避免电压尖峰损坏驱动电路。

  3. 继电器驱动:用于吸收继电器线圈断电时产生的感应电压,保护驱动电路。

  4. 电磁阀和电磁铁:类似地,用于吸收这些设备断电时的反向电压。

注意事项:

  1. 正向压降:选择低正向压降的二极管(如肖特基二极管),可以减少功耗和提高效率。肖特基二极管的正向压降约为0.2V,远低于普通硅二极管的0.7V。

  2. 反向恢复时间:在高频应用(如高于100kHz的开关频率)中,应选择反向恢复时间短的二极管,以减少开关损耗和发热,提高整体效率。

  3. 额定电流和电压:确保所选二极管的额定电流大于电路中的最大电流,额定电压大于可能出现的最大反向电压,以避免过载和击穿。

  4. 热管理:考虑到二极管在导通时会有能量损耗,需要适当的散热措施,特别是对于大功率应用。

  5. 安装位置:在设计布局时,尽量缩短二极管的引线长度,减少寄生电感,这有助于降低开关瞬态过程中的电压尖峰。

  6. 同步整流:在某些高效率设计中,可考虑使用MOSFET作为同步整流器替代传统的二极管,进一步降低导通损耗。

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