高压电源反峰保险丝——防反峰二极管的使用

1347 浏览 • 2019-11-09 23:15
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前言

反峰防护系列之二,防反峰二极管可以将反峰钳位在0V附近,可以无死角的保护高压电源不被反峰损坏,但是在反峰电流过大时会自我损坏。堪称反峰保险丝,本文结合仿真波形来讲解防反峰二极管的作用原理及失效原因分析。

更新历史

2019年11月9日 - 初稿

作者:海伏科技——小涛(转载注明出处)
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工作原理

脉冲功率系统等效电路

图1:脉冲功率系统等效电路

此文章为《高压电源反峰防护》的补充,关于什么是反峰,以及反峰为什么会损坏电源请查看:https://www.hvtop.com/class/51.html

下面以欠阻尼震荡为例,描述一个完整的功率脉冲典型工作过程。

充电过程

上图中绿色箭头所示的回路为充电回路,此时二极管两端的电压反偏,二极管处于截止状态,电流由充电机流入储能电容C,电容C的电压逐渐升高。这里可以看出反峰二极管的反向耐压应该不低于高压电源(充电机)的额定电压,防止在充电过程中防反峰二极管击穿损坏。

放电过程一(电容放电)

上图中紫色箭头所示的回路为放电回路:功率脉冲系统中常见的等效电路包括开关K、以及等效串联电感、等效串联电阻。

等效串联电感:由于放电回路的阻抗很小,通常为几欧姆,而电容中的电压通常为几十千伏,开关K导通时在放电回路里会产生数十千安培、甚至几百千安的电流。如此大的电流导线再也不是理想的传输线,环路电感,导线电感,电容中的电感、电阻中的电感、甚至火花开关导通时火花通道上的电感都是不能忽略的。上图中将这些所有的电感都等效为一个电感即虚线框中模拟负载的电感。通常这个电感不是一个实物电感,是整个放电环路不可避免要产生的等效电感,无论如何此电感是不会为0的,只能通过优化放电环路来减小此电感。

电容放电阶段,一部分能量被负载吸收,另外一部能量存储在环路等效电感中。当电容电压为0时,环路电感的储能通常为最大值,由于电感中电流不会突变,从而有了下面的过程。

放电过程二(电感储能释放)

上述过程中电容电压已经接近0V,而此时环路中的电流在峰值附近(非严谨表述,只是为了简单理解)。由于环路电感的存在,环路电流将继续刚才的流向,那么电容中电压的极性就会发生换向,电感中的一部分能量被负载吸收,另外一部分能量转移到了电容中,以反压的形式存储起来。

注意,这里电容中产生了反压,注意上图中红色回路的部分,此时保护电路中的电流流向是与充电时相同的,所以保护允许此方向上存在电流。那么此时防反峰二极管(也称续流二极管)导通。由于二极管正向导通的压降很小,单个PN节的压降约为0.7V,高压二极管内部是多个PN节串联,整体的压降一般在几十伏。那么高压电源输出端的电压就不会低于负的二极管压降,从而起到对充电机的保护作用。

损坏机理

上图中的保护电路一般为电阻、电感等,会在后续文章中详细介绍,保护电路最主要的目的就是在电容反压阶段限制电流的增长。根据反压大小和持续时间的不同,在极端情况下,比如负载异常放电等情况会导致反压的急剧增长。此时防反峰二极管中的电流有可能会大于二极管自身能承受的浪涌电流的极限。此时就会导致PN节发热过大,半导体击穿。

为什么说续流二极管是反峰保险丝

上述过程在PN节击穿之后,电流通道仍能维持,即使严重情况下PN节过热汽化,炸飞外壳电流仍然能通过电弧等离子体通道维持。直到放电环路中电容反压消失,可见即使续流二极管被高反压损坏,整个过程中高压电源输出端都不会产生严重的反压,从而保护高压电源(充电机)的安全。而二极管的损坏通常是在负载异常放电时发生,由于二极管是外置器件,更换、维修都比较方便。续流二极管像保险丝一样保障着高压电源的安全,即使损坏自身仍能起到保护效果。

总结

反峰防护需要各个器件通力合作,防反峰二极管作为一种有效的补充手段能在负载异常时对高压电源起到良好的保护作用,所以建议在任何情况下不要取消此二极管,续流二极管损坏时表现为反向耐压不足,导致电源输出短路,取下续流二极管后电源恢复正常。此时需要及时更换续流二极管,不要撤掉续流二极管继续上电。应分析其损坏的原因不断完善功率脉冲系统的电路,保证其可靠稳定运行。

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