电机的续流二极管设计

只看该作者 · 2025-6-25 19:32

[color=rgba(0, 0, 0, 0.85)]在继电器或者电机控制电路中，线圈作为感性负载，断电时会产生反电动势，可能损坏驱动电路。续流二极管、RC 吸收网络和 TVS（瞬态电压抑制二极管）是常用的保护方案，以下从钳位电压、续流时间等关键参数做一些对比分析：
可以根据不同的场合选择对应的方案，使用续流二极管不是唯一的方案

1万 · 2025-6-26 08:02

从专业角度，这个问题需要拆解几个层面：首先是二极管的核心参数选择，比如耐压和电流能力。这里有个关键点容易被忽视——电机是感性负载，关断时会产生反电动势，这个电压可能远高于电源电压。很多新手会直接用电源电压来选二极管，结果一上电就炸。
其次是二极管类型的选择。普通整流管恢复时间太慢，在PWM驱动下根本不能用。必须用快恢复或者肖特基二极管。不过肖特基也有痛点，耐压做不高，大电流时漏电严重。这个取舍需要根据电机电压电流具体分析。
封装和散热经常被低估。比如TO-220封装的二极管标称40A，但那是在无限大散热器下的理论值。实际PCB设计时，没有足够铜箔散热的话，可能连10A都扛不住。用户如果遇到莫名烧二极管的情况，八成是散热没处理好。
布局布线也有讲究。续流回路要尽量短，否则寄生电感会产生新的电压尖峰。曾经见过一个案例，工程师所有参数都算对了，就因为二极管放的位置远了5厘米，每次关断都产生50V的过压。

1万 · 2025-6-26 08:02

当驱动电机的开关器件（如MOSFET、IGBT）关断时，电机绕组的电感会产生一个反电动势（L di/dt）。这个反电动势的极性会试图维持电流按原方向流动。如果没有续流二极管，这个高压尖峰会损坏开关器件。续流二极管为这个感性能量提供了一个低阻抗的泄放回路，将能量消耗在二极管本身和绕组电阻上（或回馈到电源，取决于拓扑），并将开关器件两端的电压箝位在安全水平（通常是电源电压加上二极管正向压降）。

1万 · 2025-6-26 08:02

设计关键参数与步骤
额定反向电压 (VRRM 或 V_R)

这是最重要的参数。二极管必须能够承受开关关断时出现在其两端的最大反向电压。

计算公式： V_R >= V_max + V_ring + Margin

V_max: 电源电压的最大值（包括纹波和可能的过冲）。

V_ring: 由电路寄生电感（走线电感、电机引线电感、器件封装电感）引起的振铃电压峰值。这个值通常难以精确计算，且容易被低估。对于中等功率应用，经验法则是选择 V_R 为电源电压的 1.5 到 2 倍。

Margin: 安全裕量（通常为 20%-50%）。考虑电压波动、瞬态、温度效应和器件参数的分散性。

选择原则：选择标称 V_R 大于等于计算值的二极管。例如，对于 24V 系统，考虑振铃和裕量，通常选择 60V 或 100V 的二极管。

平均正向电流 (IF(AV))

二极管需要处理在续流期间流经它的平均电流。

计算依据：

这个电流等于电机相电流在开关管关断期间的平均值。

对于 PWM 驱动的电机（如直流有刷、无刷直流、步进电机），续流二极管的导通占空比 D_fly 近似等于 (1 - D_pwm)，其中 D_pwm 是开关管的 PWM 占空比。

简化计算 (适用于连续导通模式且忽略电流纹波)：
I_F(AV) ≈ I_phase(avg) * (1 - D_pwm)

I_phase(avg): 流经该续流路径的电机相电流平均值（通常是电机的平均工作电流）。

D_pwm: PWM 占空比（0 到 1）。

考虑最坏情况：最大平均电流通常发生在电机启动、堵转或低速高转矩运行时（此时 D_pwm 可能较低或较高，但电流 I_phase(avg) 很大）。确保在最恶劣工况下计算的 I_F(AV) 小于二极管额定值。

选择原则：选择标称 I_F(AV) 大于等于计算值（含裕量）的二极管。裕量通常为 20%-50%。

峰值正向浪涌电流 (IFSM)

在开关管关断瞬间，电感电流会立即通过续流二极管续流。这个瞬间电流等于关断前流经开关管的电流峰值。

计算依据： I_FSM >= I_peak

I_peak: 流经开关管的最大峰值电流。这包括：

电机的峰值工作电流（如启动电流、加速电流、过载电流）。

PWM 纹波电流的峰值。

最坏情况是电机堵转电流。

重要性：二极管必须能承受这个瞬间的大电流冲击而不损坏。I_FSM 通常是在特定波形（如 8.3ms 或 10ms 正弦半波）下的额定值。

选择原则：选择标称 I_FSM 远大于系统可能出现的最大峰值电流 I_peak（裕量至少 50%，甚至 100% 以上）。查阅数据手册确认测试条件。

正向压降 (VF)

二极管导通时两端的电压降。

影响：

损耗： P_loss = V_F * I_F(AV)。VF 越大，续流期间的导通损耗越大，二极管发热越严重。

箝位电压：开关管关断时承受的电压 V_switch_off = V_supply + V_F。VF 越小，开关管承受的电压应力越低。

选择原则：在满足电压和电流要求的前提下，尽可能选择 V_F 低的二极管。肖特基二极管通常具有最低的 V_F，但受限于耐压和漏电流。

反向恢复时间 (trr) 和反向恢复电荷 (Qrr)

定义：当二极管从导通状态切换到承受反向电压时，需要一定时间 trr 和消耗一定电荷 Qrr 才能完全关断。

为什么重要：

开关损耗：在开关管（如MOSFET）开通瞬间，如果续流二极管还没完全恢复反向阻断能力，会出现短暂的“直通”电流（开关管电流和二极管反向恢复电流叠加）。这不仅增加开关管的开通损耗，还可能引起振荡和电压尖峰。

EMI：快速的反向恢复会产生高频噪声。

选择原则：对于中高频 PWM 应用（>几kHz），必须选择快恢复二极管、超快恢复二极管或肖特基二极管。

肖特基二极管： trr 和 Qrr 极小（几乎是零），V_F 最低。缺点：反向漏电流 I_R 较大，尤其高温下；反向耐压 V_R 通常较低（<200V）。

快恢复/超快恢复二极管： trr 和 Qrr 远小于普通整流管，V_R 可以做得很高。V_F 比肖特基高，但比普通管低。是中高电压、中高频应用的理想选择。

普通整流二极管： trr 很长（几百ns到us），绝对不适合做PWM电机驱动的续流二极管，会导致严重损耗、发热甚至器件损坏。

封装与散热

功率耗散：续流二极管的主要损耗是导通损耗 P_cond = V_F * I_F(AV)。必须计算这个损耗。

热设计：

根据 P_cond 和二极管的热阻（结到环境 RθJA 或结到外壳 RθJC），计算结温 T_j = T_a + P_cond * RθJA (或利用 RθJC 和散热器计算)。

绝对要求： T_j < T_jmax (二极管最大允许结温，通常 125°C, 150°C 或 175°C)。

选择原则：

选择足够大的封装（如 DO-214AB/SMC, TO-220, TO-247, D2PAK）以承载功率。

必须考虑散热！对于中等以上功率（>1W），通常需要：

足够的PCB铜箔面积（铺铜作为散热片）。

专用的散热器（尤其对于TO-220/TO-247封装）。

导热垫/硅脂确保良好热接触。

将二极管安装在通风良好的位置。

布局布线

关键性：不良的布局会引入大的寄生电感，显著增加关断电压尖峰 (V_ring)。

原则：

最短路径：续流回路（二极管阳极 -> 电机绕组/相线 -> 开关管源极/发射极 -> 地 -> 二极管阴极）的面积必须最小化。这意味着二极管要尽可能靠近它保护的开关管和电机连接点。

减小寄生电感：使用宽而短的走线/铜箔。避免锐角。

接地：确保开关管源极/发射极、二极管阴极、电源滤波电容地端之间的接地路径阻抗极低（通常使用大面积接地铜箔或接地平面）。

去耦电容：在电源输入端（靠近开关器件）放置足够容量和低ESL的电解电容和陶瓷电容，为续流电流提供局部回路。

1万 · 2025-6-26 08:03

二极管类型总结与选择指南

特性	肖特基二极管	超快恢复/快恢复二极管	普通整流二极管	SiC 肖特基二极管
反向恢复 (trr/Qrr)	极好 (接近零)	好 (ns级)	差 (us级)	极好 (接近零)
正向压降 (VF)	最低	中等	最高	低 (比硅肖特基略高)
反向耐压 (VR)	低 (<200V)	高 (可达1000V+)	高	非常高 (600V+)
反向漏电 (IR)	高 (随温升剧增)	低	低	低
成本	中等	中等	低	高
适用场景	低压 (<100V)	中高压 (>60V), 高频	不适用	高压、高频、高温

< 60V, 中高电流：肖特基二极管是最佳选择（低损耗）。

60V - 200V, 中高电流：肖特基 (如果耐压满足且漏电流可接受) 或超快恢复二极管。

> 200V, 中高电流：超快恢复/快恢复二极管是标准选择。

高压 (>600V), 高频, 高温, 高效率： SiC 肖特基二极管性能最优（低 Qrr, 高耐压，高温性能好），但成本最高。

1万 · 2025-6-26 08:04

设计流程总结
明确系统参数：电源电压 (V_supply, min/max)、最大电机相电流 (I_phase(avg), I_peak)、PWM 频率、电机类型、工作环境温度 (T_a)。

计算关键参数：

V_R (>= 1.5-2 * V_supply_max + Margin)

I_F(AV) (≈ I_phase(avg)_max * (1 - D_pwm_min) 或基于最坏工况)

I_FSM (>> I_peak_max)

选择二极管类型：根据电压、频率和成本，在肖特基、超快恢复或 SiC 中选择。

初选器件：在满足 V_R, I_F(AV), I_FSM 基本要求的前提下，筛选候选器件。

评估损耗与温升：

计算导通损耗 P_cond = V_F (at I_F(AV)) * I_F(AV)。

查找器件热阻 (RθJC, RθJA)。

计算结温 T_j = T_a + P_cond * RθJA (或使用散热器计算 T_j = T_a + P_cond * (RθJC + RθCS + RθSA))。

验证： T_j < T_jmax (留足够裕量，如 20°C)。

优化布局：设计 PCB，确保续流回路最短，寄生电感最小。

仿真/测试验证：使用电路仿真软件（如 LTspice）进行开关瞬态仿真，测量实际工作中的电压尖峰、电流波形和二极管温升。在极限条件下（高电压、大电流、高温度）进行测试。

1万 · 2025-6-26 08:04

常见错误
电压裕量不足：忽略振铃电压 (V_ring)，仅按电源电压选择 V_R。

电流计算错误：低估平均电流 I_F(AV) 或峰值电流 I_FSM。

忽视反向恢复：在高频 PWM 电路中使用慢速普通整流二极管。

散热不足：忽略功率损耗计算和热设计，导致二极管过热失效。

布局糟糕：续流回路过长，引入过大寄生电感，导致高压尖峰损坏器件。

忽略漏电流：在高温高压下使用肖特基二极管而未评估其漏电流的影响（可能导致额外的损耗或误动作）。

遵循以上设计原则和步骤，并特别注意电压应力、峰值电流、反向恢复特性和散热，就能设计出可靠、高效的电机续流二极管电路。实际设计中，查阅具体二极管型号的数据手册获取精确参数至关重要。

1万 · 2025-6-26 08:05

笔者就曾遇到过选型错误导致发热严重，以至于用了低温焊锡虚焊的情况。