详解开关电源缓冲吸收电路~

发布时间:2024-12-12 19:23:17  

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基本拓扑电路上一般没有吸收缓冲电路,实际电路上一般有吸收缓冲电路,吸收与缓冲是工程需要,不是拓扑需要。

吸收与缓冲的功效:

也就是说,防止器件损坏只是吸收与缓冲的功效之一,其他功效也是很有价值的

吸收 是对电压尖峰而言。

电压尖峰的成因:

  • 电压尖峰是电感续流引起的。

  • 引起电压尖峰的电感可能是:变压器漏感、线路分布电感、器件等效模型中的感性成分等。

  • 引起电压尖峰的电流可能是:拓扑电流、二极管反向恢复电流、不恰当的谐振电流等。


减少电压尖峰的主要措施是:

  • 减少可能引起电压尖峰的电感,比如漏感、布线电感等

  • 减少可能引起电压尖峰的电流,比如二极管反向恢复电流等

  • 如果可能的话,将上述电感能量转移到别处。

  • 采取上述措施后电压尖峰仍然不能接受,最后才考虑吸收。吸收是不得已的技术措施


拓扑吸收

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将开关管Q1、拓扑续流二极管D1和一个无损的拓扑电容C2组成一个在布线上尽可能简短的吸收回路。

拓扑吸收的特点:

  • 同时将Q1、D1的电压尖峰、振铃减少到最低程度。

  • 拓扑吸收是无损吸收,效率较高。

  • 吸收电容C2可以在大范围内取值。

  • 拓扑吸收是硬开关,因为拓扑是硬开关。


体二极管反向恢复吸收

开关器件的体二极管的反向恢复特性,在关断电压的上升沿发挥作用,有降低电压尖峰的吸收效应。

RC吸收

RC吸收的本质是阻尼吸收。

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有人认为R是限流作用,C是吸收。实际情况刚好相反。

电阻R的最重要作用是产生阻尼,吸收电压尖峰的谐振能量,是功率器件。

电容C的作用也并不是电压吸收,而是为R阻尼提供能量通道。

RC吸收并联于谐振回路上,C提供谐振能量通道,C的大小决定吸收程度,最终目的是使R形成功率吸收。

对应一个特定的吸收环境和一个特定大小的电容C,有一个最合适大小的电阻R,形成最大的阻尼、获得最低的电压尖峰。

RC吸收是无方向吸收,因此RC吸收既可以用于单向电路的吸收,也可用于双向或者对称电路的吸收。

RC吸收设计

RC吸收的设计方法的难点在于:吸收与太多因素有关,比如漏感、绕组结构、分布电感电容、器件等效电感电容、电流、电压、功率等级、di/dt、dv/dt、频率、二极管反向恢复特性等等。而且其中某些因素是很难获得准确的设计参数的。

比如对二极管反压的吸收,即使其他情况完全相同,使用不同的二极管型号需要的RC吸收参数就可能有很大差距。很难推导出一个通用的计算公式出来。

工程上一般应该在通过计算或者仿真获得初步参数后,还必须根据实际布线在板调试,才能获得最终设计参数。

RCD吸收

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特点:

RCD吸收不是阻尼吸收,而是靠非线性开关D直接破坏形成电压尖峰的谐振条件,把电压尖峰控制在任何需要的水平。

C的大小决定吸收效果(电压尖峰),同时决定了吸收功率(即R的热功率)。

R的作用只是把吸收能量以热的形式消耗掉。其电阻的最小值应该满足开关管的电流限制,最大值应该满足PWM逆程RC放电周期需要,在此范围内取值对吸收效果影响甚微。

RCD吸收会在被保护的开关器件上实现某种程度的软关断,这是因为关断瞬间开关器件上的电压即吸收电容C上的电压等于0,关断动作会在C上形成一个充电过程,延缓电压恢复,降低dv/dt,实现软关断。

不适应性

  • RCD吸收一般不适合反激拓扑的吸收,这是因为RCD吸收可能与反激拓扑相冲突。

  • RCD吸收一般不适合对二极管反压尖峰的吸收,因为RCD吸收动作有可能加剧二极管反向恢复电流。


RCD钳位

尽管RCD钳位与RCD吸收电路可以完全相同,但元件参数和工况完全不同。RCD吸收RC时间常数远小于PWM周期,而RCD钳位的RC时间常数远大于PWM周期。

与RCD吸收电容的全充全放工况不同,RCD钳位的电容可以看成是电压源,其RC充放电幅度的谷值应不小于拓扑反射电压,峰值即钳位电压。

由于RCD钳位在PWM电压的上升沿和下降沿都不会动作,只在电压尖峰出现时动作,因此RCD钳位是高效率的吸收。

齐纳钳位

齐纳钳位也是在电压尖峰才起作用,也是高效率吸收。某些场合,齐纳钳位需要考虑齐纳二极管的反向恢复特性对电路的影响。

齐纳吸收需注意吸收功率匹配,必要时可用有源功率器件组成大功率等效电路、

无损吸收

无损吸收的条件

  • 吸收网络不得使用电阻。

  • 不得形成LD电流回路。

  • 吸收回路不得成为拓扑电流路径。

  • 吸收能量必须转移到输入侧或者输出侧。

  • 尽量减少吸收回路二极管反向恢复电流的影响。


无损吸收是强力吸收,不仅能够吸收电压尖峰,甚至能够吸收拓扑反射电压,比如:

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缓冲
缓冲是对冲击尖峰电流而言

引起电流尖峰第一种情况是二极管(包括体二极管)反向恢复电流。

引起电流尖峰第二种情况是对电容的充放电电流。这些电容可能是:电路分布电容、变压器绕组等效分布电容、设计不恰当的吸收电容、设计不恰当的谐振电容、器件的等效模型中的电容成分等等。

缓冲的基本方法: 在冲击电流尖峰的路径上串入某种类型的电感,可以是以下类型:

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缓冲的特性:

由于缓冲电感的串入会显著增加吸收的工作量,因此缓冲电路一般需要与吸收电路配合使用。

缓冲电路延缓了导通电流冲击,可实现某种程度的软开通(ZIS)。

变压器漏感也可以充当缓冲电感。

LD缓冲

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特点:

  • 可不需要吸收电路配合。

  • 缓冲释能二极管与拓扑续流二极管电流应力相当甚至更大。

  • 缓冲释能二极管的损耗可以简单理解为开关管减少的损耗。

  • 适当的缓冲电感(L3)参数可以大幅度减少开关管损耗,实现高效率。


LR缓冲

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特点:

  • 需要吸收电路配合以转移电感剩余能量。

  • 缓冲释能电阻R的损耗较大,可简单理解为是从开关管转移出来的损耗

  • R、L参数必须实现最佳配合,参数设计调试比较难以掌握。

  • 只要参数适当仍然能够实现高效率。


饱和电感缓冲

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饱和电感的电气性能表现为对di/dt敏感。

在一个冲击电流的上升沿,开始呈现较大的阻抗,随着电流的升高逐渐进入饱和,从而延缓和削弱了冲击电流尖峰,即实现软开通。

在电流达到一定程度后,饱和电感因为饱和而呈现很低的阻抗,这有利于高效率地传输功率。

在电流关断时,电感逐渐退出饱和状态,一方面,由于之前的饱和状态的饱和电感量非常小,即储能和需要的释能较小。另一方面,退出时电感量的恢复可以减缓电压的上升速度,有利于实现软关断。

以Ls2为例,5u表示磁路截面积5mm2,大致相当于1颗PC40材质4*4*2的小磁芯。

饱和电感特性

热特性

饱和电感是功率器件,通过进入和退出饱和过程的磁滞损耗(而不是涡流损耗或者铜损)吸收电流尖峰能量,主要热功率来自于磁芯。

这一方面要求磁芯应该是高频材料,另一方面要求磁芯温度在任何情况下不得超过居里温度。这意味着饱和电感的磁芯应该具有最有利的散热特性和结构,即:更高的居里温度、更高的导热系数、更大的散热面积、更短的热传导路径。

饱和特性

显然饱和电感一般不必考虑使用气隙或者不易饱和的低导磁率材料。

初始电感等效特性

在其他条件相同情况下,较低导磁率的磁芯配合较多匝数、与较高导磁率的磁芯配合较少匝数的饱和电感初始电感相当,缓冲效果大致相当。

这意味着直接采用1 匝的穿心电感总是可能的,因为任何多匝的电感总可以找到更高导磁率的磁芯配合1 匝等效之。这还意味着磁芯最高导磁率受到限制,如果一个适合的磁芯配合1 匝的饱和电感,将没有使用更高导磁率的磁芯配合更少匝数的可能。

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