高壓電源反峰保險絲——防反峰二極管的使用

前言

反峰防護系列之二，防反峰二極管可以將反峰鉗位在0V附近，可以無死角的保護高壓電源不被反峰損壞，但是在反峰電流過大時會自我損壞。堪稱反峰保險絲，本文結合仿真波形來講解防反峰二極管的作用原理及失效原因分析。

更新歷史

2019年11月9日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
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工作原理

圖1：脈沖功率系統等效電路

此文章為《高壓電源反峰防護》的補充，關于什么是反峰，以及反峰為什么會損壞電源請查看：http://www.sztoxda.net/class/51

下面以欠阻尼震蕩為例，描述一個完整的功率脈沖典型工作過程。

充電過程

上圖中綠色箭頭所示的回路為充電回路，此時二極管兩端的電壓反偏，二極管處于截止狀態，電流由充電機流入儲能電容C，電容C的電壓逐漸升高。這里可以看出反峰二極管的反向耐壓應該不低于高壓電源（充電機）的額定電壓，防止在充電過程中防反峰二極管擊穿損壞。

放電過程一（電容放電）

上圖中紫色箭頭所示的回路為放電回路：功率脈沖系統中常見的等效電路包括開關K、以及等效串聯電感、等效串聯電阻。

等效串聯電感：由于放電回路的阻抗很小，通常為幾歐姆，而電容中的電壓通常為幾十千伏，開關K導通時在放電回路里會產生數十千安培、甚至幾百千安的電流。如此大的電流導線再也不是理想的傳輸線，環路電感，導線電感，電容中的電感、電阻中的電感、甚至火花開關導通時火花通道上的電感都是不能忽略的。上圖中將這些所有的電感都等效為一個電感即虛線框中模擬負載的電感。通常這個電感不是一個實物電感，是整個放電環路不可避免要產生的等效電感，無論如何此電感是不會為0的，只能通過優化放電環路來減小此電感。

電容放電階段，一部分能量被負載吸收，另外一部能量存儲在環路等效電感中。當電容電壓為0時，環路電感的儲能通常為最大值，由于電感中電流不會突變，從而有了下面的過程。

放電過程二（電感儲能釋放）

上述過程中電容電壓已經接近0V，而此時環路中的電流在峰值附近（非嚴謹表述，只是為了簡單理解）。由于環路電感的存在，環路電流將繼續剛才的流向，那么電容中電壓的極性就會發生換向，電感中的一部分能量被負載吸收，另外一部分能量轉移到了電容中，以反壓的形式存儲起來。

注意，這里電容中產生了反壓，注意上圖中紅色回路的部分，此時保護電路中的電流流向是與充電時相同的，所以保護允許此方向上存在電流。那么此時防反峰二極管（也稱續流二極管）導通。由于二極管正向導通的壓降很小，單個PN節的壓降約為0.7V，高壓二極管內部是多個PN節串聯，整體的壓降一般在幾十伏。那么高壓電源輸出端的電壓就不會低于負的二極管壓降，從而起到對充電機的保護作用。

損壞機理

上圖中的保護電路一般為電阻、電感等，會在后續文章中詳細介紹，保護電路最主要的目的就是在電容反壓階段限制電流的增長。根據反壓大小和持續時間的不同，在極端情況下，比如負載異常放電等情況會導致反壓的急劇增長。此時防反峰二極管中的電流有可能會大于二極管自身能承受的浪涌電流的極限。此時就會導致PN節發熱過大，半導體擊穿。

為什么說續流二極管是反峰保險絲

上述過程在PN節擊穿之后，電流通道仍能維持，即使嚴重情況下PN節過熱汽化，炸飛外殼電流仍然能通過電弧等離子體通道維持。直到放電環路中電容反壓消失，可見即使續流二極管被高反壓損壞，整個過程中高壓電源輸出端都不會產生嚴重的反壓，從而保護高壓電源（充電機）的安全。而二極管的損壞通常是在負載異常放電時發生，由于二極管是外置器件，更換、維修都比較方便。續流二極管像保險絲一樣保障著高壓電源的安全，即使損壞自身仍能起到保護效果。

總結

反峰防護需要各個器件通力合作，防反峰二極管作為一種有效的補充手段能在負載異常時對高壓電源起到良好的保護作用，所以建議在任何情況下不要取消此二極管，續流二極管損壞時表現為反向耐壓不足，導致電源輸出短路，取下續流二極管后電源恢復正常。此時需要及時更換續流二極管，不要撤掉續流二極管繼續上電。應分析其損壞的原因不斷完善功率脈沖系統的電路，保證其可靠穩定運行。