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續流二極管的設計

2022年09月12日 15:55 IC先生 作者:IC先生 用戶評論(0

續流二極管(Freewheel/Flyback Diode)也稱為反激二極管,此外還有其它名稱,例如緩沖二極管、抑制二極管、捕獲二極管或換向二極管。

電源電流突然降低時,電感負載上出現突然的電壓尖峰時,這里使用捕捉二極管來消除反激,從而有助于電路免受損壞。續流二極管是簡化形式,其中電壓源通過開關連接到電感器。

續流二極管的設計

在下圖中,一個續流二極管放置在電感器上。理想的續流二極管將具有非常大的峰值正向電流,這有助于處理因燒壞二極管而產生的電壓瞬變,電感器的電源適用于反向擊穿電壓和低正向電壓降。電壓浪涌可能是電源電壓的10倍,具體取決于所涉及的設備和應用。需要注意,不要低估通電電感器中包含的能量。

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當電源被移除和使用直流線圈繼電器時,續流二極管可能會導致觸點延遲下降。這是由于電流在二極管和繼電器線圈中不斷循環。觸點的打開至關重要,因為低阻值電阻與二極管串聯,這有助于更快地消耗線圈能量。

肖特基二極管經常被應用在開關電源轉換器的反激二極管應用中,因為它們的正向壓降最低,即0.2V。在電感器重新通電的情況下,它們也在反向偏置中快速響應。這樣,在將能量從電感器轉移到電容器時,它消耗的能量會更少。

續流二極管工作原理

續流二極管的工作原理很簡單,這個分三個電路來說明,這將清楚地介紹它的實際工作原理。

在穩態下,開關將閉合很長時間,因此電感器完全通電并表現為短路:

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現在電流是從正極端子流向電壓源的負極端子,通過電感。這時候,如果開關斷開,電感器將抵抗電流的突然下降。如果dI/dt很大,則電壓通過使用其存儲的磁場能量而變大,并在電感器上產生電壓。

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這種情況下,之前有負電勢的地方會產生極大的正電勢,而之前有正電勢的地方會產生負電勢。由于開關處于打開狀態,因此沒有進行物理連接以允許電流繼續流動,由于打開開關的大電位差,就會在氣隙上產生電弧。

現在通過使用反續流二極管解決了這個問題。如下圖所示設計,直到能量通過電感器在導線中的損耗消散,以在連續環路、二極管和電阻器中從其汲取電流。

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當開關關閉電源時,二極管將反向偏置,并且出于實際目的在電路中不存在。然而,當開關斷開時,二極管相對于電感器變為正向偏置,并允許在圓形回路中從電感器底部的正電位到頂部的負電位傳導電流。電感兩端的電壓將是續流二極管正向壓降的函數。消散的總時間可能會有所不同,但會持續幾毫秒。

續流二極管基本上連接在感應線圈上,以防止在設備斷電的情況下出現電壓尖峰。當給感性負載供電時會出現尖銳的電壓尖峰,即關閉線圈和其他電感器。然后,根據楞次定律,該電壓的方向將與施加的電壓相反。當電流開始流動并將能量存儲在線圈周圍的磁場中時,繼電器的線圈會被磁充電。

如果電源中斷,線圈中的電流趨于減小,這種影響會導致電壓浪涌。感應電壓將跨越連接到線圈的繼電器的觸點,產生火花和電弧時會影響觸點的壽命。

與此同時,可以驅動繼電器線圈的晶體管會因電壓尖峰而損壞電子元件。當續流二極管反向偏置連接到電源電壓時,電壓尖峰將反向。當這種情況發生時,就會通過二極管發生短路。這時電壓尖峰因此在線圈上短路,這將保護連接的電路。

根據等式V=Ldi/dt,感應設備產生電壓。當電流突然降至零時,di/dt的值會很大,從而導致“感應瞬間”電壓。這導致損壞其他組件。而續流二極管將為感應電流提供流動路徑。也就是說,關斷時通過二極管/電感組合的電流將等于關斷前流過的電流。

斷開時電流衰減指數I = imax(1-exp(-L/R)

Imax=初始電流、L = 電感、R = 電路的等效串聯電阻

續流二極管主要原理

當晶體管導通時,它將處于反向偏置并且不會存在于電路中。當晶體管關閉時,續流二極管將正向偏置。續流二極管將使電感器以環路的形式從自身汲取電流,直到全部能量消散在導線和二極管中。

當流向交流感應電機的電流突然中斷時,電感器試圖通過反轉極性來保持增加電壓和電流。在沒有“續流二極管”的情況下,電壓可能會變得非常高,并可能損壞開關器件IGBT、晶閘管等。而如果帶有續流二極管,那么反向電流就可以流過二極管并消散。

當單個開關與開關鐵芯或鐵氧體芯變壓器一起使用時,續流二極管將減慢電流變化的速率,并且不會將功率傳輸到次級側,并且當電感器被開關裝置切換回時,很可能它會使核心飽和以通過大電流。在開關變壓器中,最好不要使用帶電機的續流二極管來斷開它,當需要良好的散熱器時,會耗散二極管本身的功率。

續流二極管應用

當感性負載被半導體器件關閉時,通常使用續流二極管,主要包括:

總結

以上就是關于續流二極管工作原理及其功能作用。其實,簡單來說,續流二極管就是一種配合電感性負載使用的二極管,當電感性負載的電流有突然的變化或減少時,電感二端會產生突變電壓,可能會破壞其他元件。這時候如果配合續流二極管時,其電流可以較平緩地變化,避免瞬間電壓的發生。

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( 發表人:湯梓紅 )

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