【经验】电路中谐波对桥堆与二极管的影响分析

时间： 2020-02-25 来源：世强

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在电源的应用中，电路所产生谐波会对电路中的桥堆，二极管产生影响，同时该无形杀手也会令电路中桥堆二极管迅速失效，让应用工程师无法找到具体失效原因。如下我们通过相关模似实验以及论证找到相关失效主要原因，也让我们设计电路时注意消除谐波杂讯，减少对电路桥堆二极管伤害。

首先我们要了解谐波概念，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波产生的原因主要有：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推；谐波的影响主要是电子设备，包括手机充电器，电脑的适配器，电视机，其他些家居设备传导杂讯，现在开关式电源普遍用于家庭电器中，实际的电路工作频率会在200KHZ左右，因此类家庭电器适成的谐波污染，我们可以称为高频谐波。

我们先了解如下两点：

1、桥堆/二极管的动态应用特性，二极管主要应用于动态应用中，二极管动态特性有如下波形，根据欧姆定律 U & I 关系结合如下图形得知，二极管主要有4种工作状态，分别是：开启，导通，关断，截止；在不同状态下因桥堆二极管原材料特性及工作频率都会存在极大的差异。

2、桥堆/二极管开关损耗，相关因素图形讲解与计算：

2.1 开启损耗Pon

Pon=VFR/2*IF*Tfr*Fs 注：Fs: 工作时电路中实际的开关频率，由公式可以看出，Pon取决于VFR, Fs, Tfr & IF，一般来说 VFR 只有几伏，所以Pon比较小；实际应用线路中，反向反向关断损耗较正向开启引起的损耗大。

2.2 反向关断损耗分析Poff

Poff=VR*IRM*(Trr/2)/2 *Fs

= VR* Qrr/2 *Fs

Fs 为开关频率，Poff 取决于VR，IRM，Trr，Fs

高频对于普通二极管的影响就是增加开关损耗，增加总功耗，Tj温度上升。

3、我们通过实际模似的实验来抓出高频谐波对桥堆的影响：

3.1首先我们根据二极管反向恢复时Trr可分为高速或者肖特基(TRR 4nS~75nS)，快速(TRR 150nS~500nS)，普通(TRR=1500nS)，桥堆普遍都是使用4个普通的二极管组的桥式整流电路，我们是可以通过这4个二极管整流电路抓出该高频谐波的危害性：

目前我们国家市电主流为220V 频率 50Hz ，日本市电是110V 频率 50HZ 日本有些地区是110 V 频率 60HZ ，美国市电也是110V 频率60 HZ . 由于用电产品日益增加，目前市场上不合规范产品相当多，这些不规范产品是会产生谐波污染电网的。测试电路自制一个两个1000V 2A的贴片桥堆并联电路，如下图：X1 X2接信号驱动。

3.2 实际测量以及分析：

输入市电220V/60HZ，取1、2、3、4次倍频模似作高频输入，该桥堆正常功耗约为： 0.1W(0.06A)，Tc温度 55℃；如增加了高频谐波分量， Tc温度将急剧上升；

3.2.1当输入高频谐波步骤增加时，桥堆Tc & Tj 的特征关系如下：

从如下数据抓取数据点联成点得知，输入高频谐波步骤增加时,Tc Tj 是一起增加的。

3.2.2 根据二极管热阻测试关系，桥堆的Tj 与桥堆的总功耗关系如下：桥堆的总功耗会随工作频率变化而急剧上升；

3.2.3 高频谐波分量与开关损耗功耗

桥堆总功耗减去正常工作状态的功耗，即为随高频谐波分量频率增加所增加的开关损耗功耗，损耗从 0.4W 上升到 2.65W。

4. 在实测应用电路中高频谐波对不同的Trr的实际影响：

下图A我们选择Trr= 46nS 超快速二极管的反向恢复时间的波形图，图B为实验中1000V 2A的桥堆的Trr为2400nS，从如下两个示波器抓到反向恢复时间波形图得知到高频谐波对应用电路中的Trr=2400nS的桥堆影响较大，损耗也较大；

图A

图B

5. 对于在高频谐波中失效的桥堆与二极管主要原因是：

5.1 实际应用电路中的高频谐波杂信号会适成桥堆或者二极管的开关损耗提高，导致桥堆二极管的Tj温升提高，从而令桥堆或者二极管的反向恢复时间Trr也增大，开关损耗也进一步提高，主要是根据属于半导体的特性，当半导体硅材料在高温下电子能量增加，少数载流子的寿命会延长，电子适移长度同时也增加，所以Trr也增加，即高温时电子储存在半导体体内会增多，恢复（消失）的慢，所以反向恢复时间长；

5.2 桥堆二极管Tj高温下同时也会适成IR漏电流上升；

5.3 桥堆二极管的IR漏电流上升也会令Tj结温的温升不断循环上升的；

5.4 综合以上如些恶性循环会造成VR下降，玻璃钝化层附件击穿发生向焊窗延烧的，根据目前实验可以知知道当高频会适成开关损耗提高，结温Tj温度急升，适成桥堆二极管反向耐压VRRM下降或崩溃击穿；

6. 通过以上试验结论得知：

6.1 高频开关损耗对于高频（快恢复超快恢复）二极管的影响较少；

6.2 高频开关损耗对于普通二极管会适成开关损耗增加或急剧增加，严重时可适成产品失效；

6.3 建议输入端需要增加前级的EMI滤波的设计以及桥堆后续的滤波电路，减少电路中产生的高频杂波输入对普通整流桥/二极管的影响减少整流桥二极管的失效。

DIOTEC（德欧泰克）成立于1973年，致力于半导体二极管和整流器的研发生产，总部位于德国，拥有世界上独一无二的正向压降和反向漏电流的控制技术，产品品质非常高，感兴趣的工程师们可以在平台搜索获取相关文章和资料。

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