二极管的工作特性和实验分析

2021-10-07 08:55分类：电子元器件阅读：

高频率直流高压电源做为电场髙压网络加速器的关键机器设备，对网络加速器的主要技术指标有立即的危害，封闭式的髙压溫度危害全部开关电源的运行可靠性和稳定性，必须对气温危害较大的元件开展深入分析科学研究。

单脉冲髙压解调器髙压电池充电开关电源选用绝缘层磁心变电器（Insulated core Transformer，ICT），ICT工作电压转换基本原理和一般变电器同样，全是根据交替变化电磁场藕合互换动能，ICT选用多个电磁线圈輸出方法，根据绝缘层膜使详细的变压器铁芯分为许多小段，每一小段针对原线圈全是一个小输出功率低压变压器，每一个小输出功率变电器输出电压根据逆变电路輸出，随后把第一段的输出电压串连起來获得高电压輸出。

这类构造的益处解决了高压变压器的绝缘性难题，原线圈和初级线圈的绝缘层抗压难题，变压器铁芯和初级线圈的抗压难题，有益于髙压侧的元器件挑选。恒流电源恒流源髙压电池充电源电路原理图见图1。

图1 恒流电源恒流源髙压电池充电开关电源框架图

1. 二极管工作中特点剖析

因为直流高压电源选用多輸出电磁线圈历经变压器輸出直流电做为一个輸出模块，再串连供电系统。每一个輸出模块就会有4个二极管，因此全部直流高压电源輸出一部分的二极管的总数多。与此同时由于輸出是直流高压电源，因此必须对輸出髙压做密封性防护解决降低自然环境对髙压輸出一部分的危害。密闭空间中总数巨大的二极管的发烫是一个问题，必须对二极管的全部工作中环节的电功率耗损做一个模拟仿真剖析，做为二极管挑选的根据。

1.1二极管输出功率工作中全过程耗损剖析

二极管原理是利用另加的工作电压促使二极管的PN结产生的能隙区域内的电子器件和氧空位的运动来完成导通与截至。全部流程能够如图2所显示。

图2 二极管原理波型

从二极管通断到截至是一个详细的周期时间，全部时间中二极管的耗损剖析由下列构成：

式中：d=ton/T，通断pwm占空比；T为二极管工作中周期时间；ton为二极管通断時间；VR和IR为二极管的截止电压和反方向截至电流量；VRM和IRM为二极管的方向工作电压和反向恢复最高值电流量。

依据二极管的Pspice实体模型，根据电路设计，剖析二极管的电功率耗损，明确提出二极管型号选择的根据。挑选三种二极管开展剖析，各自为正指导插电放低一般二极管S5M；快修复二极管RS3M；无反向恢复時间SIC二极管CREE企业的C4D05120E。

1.2二极管工作中特点模拟仿真剖析

最先要搭建模拟仿真电源电路，许多电源电路都能够用于检测二极管的反向恢复時间的特点，boost和单端反激等，可是必要条件便是必须全部电源电路工作中在没有持续运行状态中，那样才可以控制回路电流强度的标准来剖析二极管反向恢复的特点，要不然会遭受电源电路之外的基本参数的危害。

根据检测电源电路各自对三种二极管的工作中特点模拟仿真，发觉不一样的电流量下降率会出现不一样的反向恢复电流量最高值，可是反向恢复時间基本上不容易跟随更改。根据对二极管关闭电流量降低切线斜率对二极管修复电流量最高值的剖析，Pspice的模拟仿真电源电路如图所示3所显示，模拟仿真結果为二极管D1的电流如图4所显示。

图3 二极管特性检测电源电路

图4 SIC（a）、RS3M（b）、S5M（c）二极管模拟仿真結果

依据二极管模拟仿真的效果归纳成表1，表1的确表明SIC二极管沒有反向恢复电流量，能够获得电流量降低切线斜率和反方向最高值电流量的影响见图5。

表1 C4D0512、S5M、RS5M模拟仿真結果归纳

图5 移相全桥模拟仿真电源电路（a）和結果（b）

二极管在全桥移相转换电源电路中完成模拟仿真，如图所示5（a）所显示，因为Pspice模拟仿真标准元器件总数的限定，輸出模块只有取4组，为了更好地仿真模拟髙压电池充电开关电源在具体工作上状况，輸出设置为2000V、500mA。根据模拟結果图5（b）能够见到二极管在相同的工作中情况下，反方向作中状况，輸出设置为2000V、500mA。根据模拟仿真结特点的区别。二极管的反向恢复电流量最高值跟切线斜率也的确也合乎表1的切线斜率和反方向最高值电流量的关联。

根据二极管的Datasheet数据信息和二极管的模拟結果数据信息各自获得表2和表3，依据式（1）~（3）各自测算二极管在不一样情况时的电功率耗损，综合性这种信息来对二极管的输出功率开展剖析。

根据之上剖析，S5M是平常的二极管是不适合用作高频率的整流器。RS3M尽管正指导通工作电压小于C4D05120E，可是因为反向恢复時间和反向恢复电流量都远高于SIC二极管，因此全部耗损也超过C4D05120E。在没有持续的Boost检测电源电路中C4D05120E基本上沒有反向恢复時间，可是在模拟仿真电源电路中的反向恢复時间或是存有，因此电源电路中其余的情况也会危害反向恢复特点。根据数据分析，二极管关键的两种主要参数正指导通工作电压和反向恢复特点，能用于做为二极管挑选的根据，针对髙压小电流量的二极管而言，反向恢复特点更关键。因此挑选SIC二极管做为开关电源的輸出整流二极管。

表2 二极管参数

表3 二极管输出功率耗损统计分析

2. 试验认证

恒流源恒流电源髙压电池充电开关电源主电路原理和主输出功率控制电路的构建，如图所示6~8所显示。根据对平面图绝缘层芯高压变压器的剖析，由于双层绝缘层膜当然把详细的磁石变压器铁芯按段，促使全部变电器的励磁电流电感器在这个构造中骤降。与此同时为了更好地提升变电器的励磁电流电感器，初中级匝数设计方案为14匝，为了更好地提升单组电磁线圈的输出电压，輸出板的次级线圈线圈匝数提升到16匝。与此同时为了更好地尽快改进二极管的气温特点，与此同时在PCB上提升二极管的覆铜总面积，每片輸出板的电磁线圈模块数为6个模块。全桥转换工作中在LLC串联谐振情况，能够促使整流二极管能保证零电流量启用和关闭，这也会有利于二极管的工作中特点的改进。

图6 髙压輸出电源电路构造

图7 每块髙压輸出线路板

图8 全桥LLC转换模块

如图所示9所显示，整流二极管的电流量輸出波型，在串联谐振运行状态的SIC二极管輸出电流量基本上沒有反向恢复時间，因此可以改进二极管的电功率耗损。全部直流高压电源在輸出50kV情况下的运行状态如图所示10所示，直流高压电源特点每一个輸出绕阻模块輸出600V，一共輸出50kV，那麼一共必须84个輸出模块，每一个模块4个二极管，一共336个二极管，能够估计全部二极管的电功率耗损。

图9 双板輸出波型检测

图10 直流高压电源50kV輸出波型

根据载入图10中数据，可以了解直流高压电源的键入电流为556V，输出电压为50077V，输入功率为20446W，负荷135kΩ，输出功率耗损为1870W。LLC串联谐振整流管选用FF300R12ME4，耦合电路不考虑到启用耗损，只需考虑到关闭耗损和反向恢复耗损和通断输出功率耗损为1320.4W；耦合电容均压电容串联为6.5MΩ的电功率耗损390W；依据变电器磁心原材料能够可能磁心耗损35W；由于輸出髙压，次级线圈匝数多，PCB（PrintedCircuitBoard）板走线铜泊长短有600m，铜泊上的耗损为变电器的铜损40W；每一个电磁线圈輸出功率电阻的电功率耗损10W。

由于负荷缘故，直流高压电源輸出50kV、371mA，依据模拟仿真测算输出功率耗损约72.8W，而具体直流高压电源二极管的测算耗损为74.6W，結果很贴近。而且根据热成像仪照片图11还可以看得出全部輸出电力变压器的在输出功率輸出和不輸出时溫度基本上不会改变，也证实了二极管的功率计算公式結果。密封性一部分（变电器磁心、輸出电磁线圈和二极管耗损）总耗损159.6W，输出功率耗损在还可以进行的范畴，能根据室内空间排热完成热力循环。