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開關電源中的全部緩沖吸收電路解析

發(fā)布時間：2018-12-24 責任編輯：xueqi

【導讀】基本拓撲電路上一般沒有吸收緩沖電路，實際電路上一般有吸收緩沖電路，吸收與緩沖是工程需要，不是拓撲需要。
 
吸收與緩沖的功效：
 
防止器件損壞，吸收防止電壓擊穿，緩沖防止電流擊穿
使功率器件遠離危險工作區(qū)，從而提高可靠性
降低（開關）器件損耗，或者實現(xiàn)某種程度的關軟開
降低di/dt和dv/dt，降低振鈴，改善EMI品質(zhì)
提高效率（提高效率是可能的，但弄不好也可能降低效率）
也就是說，防止器件損壞只是吸收與緩沖的功效之一，其他功效也是很有價值的。
 
吸收 
 
吸收是對電壓尖峰而言。
電壓尖峰的成因：
電壓尖峰是電感續(xù)流引起的。
引起電壓尖峰的電感可能是：變壓器漏感、線路分布電感、器件等效模型中的感性成分等。
引起電壓尖峰的電流可能是：拓撲電流、二極管反向恢復電流、不恰當?shù)闹C振電流等。
 
減少電壓尖峰的主要措施是：
減少可能引起電壓尖峰的電感，比如漏感、布線電感等
減少可能引起電壓尖峰的電流，比如二極管反向恢復電流等
如果可能的話，將上述電感能量轉(zhuǎn)移到別處。
采取上述措施后電壓尖峰仍然不能接受，最后才考慮吸收。吸收是不得已的技術措施
 
拓撲吸
 
 
將開關管Q1、拓撲續(xù)流二極管D1和一個無損的拓撲電容C2組成一個在布線上盡可能簡短的吸收回路。
 
拓撲吸收的特點：
同時將Q1、D1的電壓尖峰、振鈴減少到最低程度。
拓撲吸收是無損吸收，效率較高。
吸收電容C2可以在大范圍內(nèi)取值。
拓撲吸收是硬開關，因為拓撲是硬開關。
 
體二極管反向恢復吸收
 
開關器件的體二極管的反向恢復特性，在關斷電壓的上升沿發(fā)揮作用，有降低電壓尖峰的吸收效應。
 
RC 吸收
 
 
RC吸收的本質(zhì)是阻尼吸收。
有人認為R 是限流作用，C是吸收。實際情況剛好相反。
電阻R 的最重要作用是產(chǎn)生阻尼，吸收電壓尖峰的諧振能量，是功率器件。
電容C的作用也并不是電壓吸收，而是為R阻尼提供能量通道。
 
RC吸收并聯(lián)于諧振回路上，C提供諧振能量通道，C 的大小決定吸收程度，最終目的是使R形成功率吸收。
對應一個特定的吸收環(huán)境和一個特定大小的電容C，有一個最合適大小的電阻R，形成最大的阻尼、獲得最低的電壓尖峰。
 
RC吸收是無方向吸收，因此RC吸收既可以用于單向電路的吸收，也可用于雙向或者對稱電路的吸收。
 
RC 吸收設計 
 
 
RC吸收的設計方法的難點在于：吸收與太多因素有關，比如漏感、繞組結構、分布電感電容、器件等效電感電容、電流、電壓、功率等級、di/dt、dv/dt、頻率、二極管反向恢復特性等等。而且其中某些因素是很難獲得準確的設計參數(shù)的。
 
比如對二極管反壓的吸收，即使其他情況完全相同，使用不同的二極管型號需要的RC吸收參數(shù)就可能有很大差距。很難推導出一個通用的計算公式出來。
 
R 的損耗功率可大致按下式估算：
Ps = FCU2
其中U為吸收回路拓撲反射電壓。
工程上一般應該在通過計算或者仿真獲得初步參數(shù)后，還必須根據(jù)實際布線在板調(diào)試，才能獲得最終設計參數(shù)。
 
RCD 吸收
 
 
特點
 
RCD吸收不是阻尼吸收，而是靠非線性開關D 直接破壞形成電壓尖峰的諧振條件，把電壓尖峰控制在任何需要的水平。
 
C 的大小決定吸收效果（電壓尖峰），同時決定了吸收功率（即R的熱功率）。
R 的作用只是把吸收能量以熱的形式消耗掉。其電阻的最小值應該滿足開關管的電流限制，最大值應該滿足PWM逆程RC放電周期需要，在此范圍內(nèi)取值對吸收效果影響甚微。
RCD吸收會在被保護的開關器件上實現(xiàn)某種程度的軟關斷，這是因為關斷瞬間開關器件上的電壓即吸收電容C上的電壓等于0，關斷動作會在C 上形成一個充電過程，延緩電壓恢復，降低dv/dt，實現(xiàn)軟關斷。
 
不適應性
 
RCD吸收一般不適合反激拓撲的吸收，這是因為RCD吸收可能與反激拓撲相沖突。
RCD吸收一般不適合對二極管反壓尖峰的吸收，因為RCD吸收動作有可能加劇二極管反向恢復電流。
 
鉗位吸收
 
RCD 鉗位
 
盡管RCD鉗位與RCD吸收電路可以完全相同，但元件參數(shù)和工況完全不同。RCD吸收RC時間常數(shù)遠小于PWM周期，而RCD鉗位的RC時間常數(shù)遠大于PWM周期。
與RCD吸收電容的全充全放工況不同，RCD鉗位的電容可以看成是電壓源，其RC充放電幅度的谷值應不小于拓撲反射電壓，峰值即鉗位電壓。
由于RCD鉗位在PWM電壓的上升沿和下降沿都不會動作，只在電壓尖峰出現(xiàn)時動作，因此RCD鉗位是高效率的吸收。
 
齊納鉗位
 
齊納鉗位的幾種形式。
齊納鉗位也是在電壓尖峰才起作用，也是高效率吸收。
某些場合，齊納鉗位需要考慮齊納二極管的反向恢復特性對電路的影響。
齊納吸收需注意吸收功率匹配,必要時可用有源功率器件組成大功率等效電路
 
無損吸收 
 
 
無損吸收的條件
 
吸收網(wǎng)絡不得使用電阻。
不得形成LD電流回路。
吸收回路不得成為拓撲電流路徑。
吸收能量必須轉(zhuǎn)移到輸入側或者輸出側。
盡量減少吸收回路二極管反向恢復電流的影響。
無損吸收是強力吸收，不僅能夠吸收電壓尖峰，甚至能夠吸收拓撲反射電壓，比如：
 
 
緩沖
 
緩沖是對沖擊尖峰電流而言
引起電流尖峰第一種情況是二極管（包括體二極管）反向恢復電流。
引起電流尖峰第二種情況是對電容的充放電電流。這些電容可能是：電路分布電容、變壓器繞組等效分布電容、設計不恰當?shù)奈针娙荨⒃O計不恰當?shù)闹C振電容、器件的等效模型中的電容成分等等。
 
緩沖的基本方法：
 
在沖擊電流尖峰的路徑上串入某種類型的電感，可以是以下類型：
 
 
緩沖的特性：
由于緩沖電感的串入會顯著增加吸收的工作量，因此緩沖電路一般需要與吸收電路配合使用。
緩沖電路延緩了導通電流沖擊，可實現(xiàn)某種程度的軟開通（ZIS)。
變壓器漏感也可以充當緩沖電感。
 
LD 緩沖
 
 
特點：
可不需要吸收電路配合。
緩沖釋能二極管與拓撲續(xù)流二極管電流應力相當甚至更大。
緩沖釋能二極管的損耗可以簡單理解為開關管減少的損耗。
適當?shù)木彌_電感（L3）參數(shù)可以大幅度減少開關管損耗，實現(xiàn)高效率。
 
LR 緩沖 
 
 
特點：
需要吸收電路配合以轉(zhuǎn)移電感剩余能量。
緩沖釋能電阻R的損耗較大，可簡單理解為是從開關管轉(zhuǎn)移出來的損耗。
R、L參數(shù)必須實現(xiàn)最佳配合，參數(shù)設計調(diào)試比較難以掌握。
只要參數(shù)適當仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高效率。
 
飽和電感緩沖 
 
 
飽和電感的電氣性能表現(xiàn)為對di/dt敏感。
在一個沖擊電流的上升沿，開始呈現(xiàn)較大的阻抗，隨著電流的升高逐漸進入飽和，從而延緩和削弱了沖擊電流尖峰，即實現(xiàn)軟開通。
 
在電流達到一定程度后，飽和電感因為飽和而呈現(xiàn)很低的阻抗，這有利于高效率地傳輸功率。
在電流關斷時，電感逐漸退出飽和狀態(tài)，一方面，由于之前的飽和狀態(tài)的飽和電感量非常小，即儲能和需要的釋能較小。另一方面，退出時電感量的恢復可以減緩電壓的上升速度，有利于實現(xiàn)軟關斷。
以Ls2為例，5u表示磁路截面積5mm2，大致相當于1顆PC40材質(zhì)4*4*2的小磁芯。
 
飽和電感特性
 
熱特性
飽和電感是功率器件，通過進入和退出飽和過程的磁滯損耗（而不是渦流損耗或者銅損）吸收電流尖峰能量，主要熱功率來自于磁芯。
 
這一方面要求磁芯應該是高頻材料，另一方面要求磁芯溫度在任何情況下不得超過居里溫度。這意味著飽和電感的磁芯應該具有最有利的散熱特性和結構，即：更高的居里溫度、更高的導熱系數(shù)、更大的散熱面積、更短的熱傳導路徑。
 
飽和特性
 
顯然飽和電感一般不必考慮使用氣隙或者不易飽和的低導磁率材料。
 
初始電感等效特性
 
在其他條件相同情況下，較低導磁率的磁芯配合較多匝數(shù)、與較高導磁率的磁芯配合較少匝數(shù)的飽和電感初始電感相當，緩沖效果大致相當。
 
這意味著直接采用1 匝的穿心電感總是可能的，因為任何多匝的電感總可以找到更高導磁率的磁芯配合1 匝等效之。這還意味著磁芯最高導磁率受到限制，如果一個適合的磁芯配合1 匝的飽和電感，將沒有使用更高導磁率的磁芯配合更少匝數(shù)的可能。
 
磁芯體積等效特性
 
在其他條件相同情況下，相同體積的磁芯的飽和電感緩沖效果大致相當。既然如此，磁芯可以按照最有利于散熱的磁路進行設計。比如細長的管狀磁芯比環(huán)狀磁芯、多個小磁芯比集中一個大磁芯、穿心電感比多匝電感顯然具有更大的散熱表面積。
 
組合特性
 
有時候，單一材質(zhì)的磁芯并不能達到工程上需要的緩沖效果，采用多種材質(zhì)的磁芯相互配合或許才能能夠滿足工程需要。
 
 
無源無損緩沖吸收  
 
 
如果緩沖電感本身是無損的（非飽和電感），而其電感儲能又是經(jīng)過無損吸收的方式處理的，即構成無源無損緩沖吸收電路，實際上這也是無源軟開關電路。
 
緩沖電感的存在延遲和削弱的開通沖擊電流，實現(xiàn)了一定程度的軟開通。
無損吸收電路的存在延遲和降低了關斷電壓的dv/dt，實現(xiàn)了一定程度的軟關斷。
實現(xiàn)無源軟開關的條件與無損吸收大致相同。并不是所有拓撲都能夠搭建出一個無源軟開關電路。因此除了經(jīng)典的電路外，很多無源軟開關電路都是被專利的熱門。
 
無源無損軟開關電路效率明顯高于其他緩沖吸收方式，與有源軟開關電路效率相差無幾。因此只要能夠?qū)崿F(xiàn)無源軟開關的電路，可不必采用有源軟開關。
 
吸收緩沖電路性能對
 
 
濾波緩
 
 
電路中的電解電容一般具有較大的ESR（典型值是百毫歐姆數(shù)量級），這引起兩方面問題：一是濾波效果大打折扣；二是紋波電流在ESR上產(chǎn)生較大損耗，這不僅降低效率，而且由于電解電容發(fā)熱直接導致的可靠性和壽命問題。
 
一般方法是在電解電容上并聯(lián)高頻無損電容，而事實上，這一方法并不能使上述問題獲得根本的改變，這是由于高頻無損電容在開關電源常用頻率范圍內(nèi)仍然存在較大的阻抗的緣故。
 
提出的辦法是：用電感將電解和CBB分開，CBB位于高頻紋波電流側，電解位于直流（工頻）側，各自承擔對應的濾波任務。
 
設計原則：Π形濾波網(wǎng)絡的諧振頻率Fn應該錯開PWM頻率Fp。可取Fp=（1.5～２）Fn 。
這一設計思想可以延伸到直流母線濾波的雙向緩沖，或者其他有較大濾波應力的電路結構。
 
振鈴
 
 
振鈴的危害：
MEI測試在振鈴頻率容易超標。
振鈴將引起振鈴回路的損耗，造成器件發(fā)熱和降低效率。
振鈴電壓幅度超過臨界值將引起振鈴電流，破環(huán)電路正常工況，效率大幅度降低。
 
振鈴的成因：
振鈴多半是由結電容和某個等效電感的諧振產(chǎn)生的。對于一個特定頻率的振鈴，總可以找到原因。電容和電感可以確定一個頻率，而頻率可以觀察獲得。電容多半是某個器件的結電容，電感則可能是漏感。
振鈴最容易在無損（無電阻的）回路發(fā)生。比如：副邊二極管結電容與副邊漏感的諧振、雜散電感與器件結電容的諧振、吸收回路電感與器件結電容的諧振等等。
 
振鈴的抑制：
磁珠吸收，只要磁珠在振鈴頻率表現(xiàn)為電阻，即可大幅度吸收振鈴能量，但是不恰當?shù)拇胖橐部赡茉黾诱疋彙?/div>
RC 吸收，其中C可與振鈴（結）電容大致相當，R 按RC吸收原則選取。
改變諧振頻率，比如：只要將振鈴頻率降低到PWM頻率相近，即可消除PWM上的振鈴。
特別地，輸入輸出濾波回路設計不當也可能產(chǎn)生諧振，也需要調(diào)整諧振頻率或者其他措施予以規(guī)避。
 
吸收緩沖能量再利用 
 
 
RCD吸收能量回收電路
 
只要將吸收電路的正程和逆程回路分開，形成相對0 電位的正負電流通道，就能夠獲得正負電壓輸出。其設計要點為：
 
RCD吸收電路參數(shù)應主要滿足主電路吸收需要，不建議采用增加吸收功率的方式增加直流輸出功率。
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