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[经验] 多图解析,开关电源中的缓冲吸收电路

助工
2019-11-02 17:56:20    评分

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
防止器件损坏,吸收防止电压击穿,缓冲防止电流击穿使功率器件远离危险工作区,从而提高可靠性
降低(开关)器件损耗,或者实现某种程度的关软开降低di/dt和dv/dt,降低振铃,改善EMI品质
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
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
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




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。
R 的损耗功率可大致按下式估算:
Ps = FCU2
其中U为吸收回路拓扑反射电压。
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
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。


  • 钳位吸收


  • 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


  • 齐纳钳位的几种形式。


  • 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:


  • 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:


  • 缓冲的特性:


  • 由于缓冲电感的串入会显着增加吸收的工作量,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


  • 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


  • 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


  • 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。


  • 磁芯体积等效特性


  • 在其他条件相同情况下,相同体积的磁芯的饱和电感缓冲效果大致相当。既然如此,磁芯可以按照最有利于散热的磁路进行设计。比如细长的管状磁芯比环状磁芯、多个小磁芯比集中一个大磁芯、穿心电感比多匝电感显然具有更大的散热表面积。


  • 组合特性


  • 有时候,单一材质的磁芯并不能达到工程上需要的缓冲效果,采用多种材质的磁芯相互配合或许才能能够满足工程需要。


  • 无源无损缓冲吸收


  • 如果缓冲电感本身是无损的(非饱和电感),而其电感储能又是经过无损吸收的方式处理的,即构成无源无损缓冲吸收电路,实际上这也是无源软开关电路。


  • 缓冲电感的存在延迟和削弱的开通冲击电流,实现了一定程度的软开通。


  • 无损吸收电路的存在延迟和降低了关断电压的dv/dt,实现了一定程度的软关断。


  • 实现无源软开关的条件与无损吸收大致相同。并不是所有拓扑都能够搭建出一个无源软开关电路。因此除了经典的电路外,很多无源软开关电路都是被专利的热门。


  • 无源无损软开关电路效率明显高于其他缓冲吸收方式,与有源软开关电路效率相差无几。因此只要能够实现无源软开关的电路,可不必采用有源软开关。


  • 吸收缓冲电路性能对比


  • 滤波缓冲


  • 电路中的电解电容一般具有较大的ESR(典型值是百毫欧姆数量级),这引起两方面问题:一是滤波效果大打折扣;二是纹波电流在ESR上产生较大损耗,这不仅降低效率,而且由于电解电容发热直接导致的可靠性和寿命问题。


  • 一般方法是在电解电容上并联高频无损电容,而事实上,这一方法并不能使上述问题获得根本的改变,这是由于高频无损电容在开关

  • 电源
  • 常用频率范围内仍然存在较大的阻抗的缘故。


  • 提出的办法是:用电感将电解和CBB分开,CBB位于高频纹波电流侧,电解位于直流(工频)侧,各自承担对应的滤波任务。


  • 设计原则:Π形滤波网络的谐振频率Fn应该错开PWM频率Fp。可取Fp=(1.5~2)Fn 。


  • 这一设计思想可以延伸到直流母线滤波的双向缓冲,或者其他有较大滤波应力的电路结构。


  • 振铃


  • 振铃的危害:


  • MEI

  • 测试
  • 在振铃频率容易超标。


  • 振铃将引起振铃回路的损耗,造成器件发热和降低效率。


  • 振铃电压幅度超过临界值将引起振铃电流,破环电路正常工况,效率大幅度降低。


  • 振铃的成因:


  • 振铃多半是由结电容和某个等效电感的谐振产生的。对于一个特定频率的振铃,总可以找到原因。电容和电感可以确定一个频率,而频率可以观察获得。电容多半是某个器件的结电容,电感则可能是漏感。


  • 振铃最容易在无损(无电阻的)回路发生。比如:副边二极管结电容与副边漏感的谐振、杂散电感与器件结电容的谐振、吸收回路电感与器件结电容的谐振等等。


  • 振铃的抑制:


  • 磁珠
  • 吸收,只要磁珠在振铃频率表现为电阻,即可大幅度吸收振铃能量,但是不恰当的磁珠也可能增加振铃。


  • RC 吸收,其中C可与振铃(结)电容大致相当,R 按RC吸收原则选取。


  • 改变谐振频率,比如:只要将振铃频率降低到PWM频率相近,即可消除PWM上的振铃。


  • 特别地,输入输出滤波回路设计不当也可能产生谐振,也需要调整谐振频率或者其他措施予以规避。


  • 吸收缓冲能量再利用


  • RCD吸收能量回收电路


  • 只要将吸收电路的正程和逆程回路分开,形成相对0 电位的正负电流通道,就能够获得正负电压输出。其设计要点为:


  • RCD吸收电路参数应主要满足主电路吸收需要,不建议采用增加吸收功率的方式增加直流输出功率。






关键词: 开关电源     缓冲     吸收     电路    

助工
2019-11-02 18:03:58    评分
2楼

感谢楼主分享


菜鸟
2019-11-02 23:42:39    评分
3楼

总结的十分到位


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