RC吸收(也常称为RC吸收电路或RC缓冲电路)是一种在电子电路中广泛应用的电路结构,主要用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形,以及抑制电路中的尖峰电压、减少电磁干扰、稳定电路工作等。
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
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。
一、基本原理
RC吸收电路由电阻(R)和电容(C)串联组成,并与开关或其他需要保护的电子器件并联连接。当电路中出现尖峰电压或电流时,电容会迅速充电,从而吸收尖峰能量;同时,电阻限制电流的上升速率,防止电流过大对电路造成损害。这种组合形成了一个低通滤波器,允许低频信号通过,而阻止高频信号,有助于稳定电路的工作状态。
二、主要作用
抑制尖峰电压:在电力电子器件的开关过程中,由于电路中存在电感(变压器漏感或负载电感),会产生尖峰电压。RC吸收电路中的电容可以吸收这些尖峰电压,防止其损坏电子器件。
减少电磁干扰:电容的充放电过程可以减缓电路中电流和电压的变化速率,从而减少电磁辐射和电磁干扰。
稳定电路工作:通过限制电流的上升速率和抑制尖峰电压,RC吸收电路有助于保持电路的稳定工作状态,提高电路的可靠性和安全性。
三、参数选择
在设计RC吸收电路时,需要选择合适的电阻和电容值。这些参数的选择取决于电路的工作电压、电流以及需要抑制的尖峰电压的大小。
电阻值(R):电阻值的选择应能限制电流的上升速率,减少尖峰电压。电阻的功率额定值应足够大,以承受可能出现的峰值电流。
电容值(C):电容值决定了电路对尖峰电压的吸收能力。电容值越大,吸收的尖峰能量越多,但同时也会引入更大的延迟。因此,需要根据实际需求在吸收能力和延迟之间进行权衡。
时间常数(τ):时间常数是电阻和电容的乘积(τ = R * C),它决定了电路对尖峰电压的响应速度以及电路的充电和放电速率。在实际应用中,需要根据具体需求来设定时间常数。
四、应用场景
RC吸收电路在电力电子、通信、计算机等领域有着广泛的应用。在电力电子器件(晶闸管、IGBT等)的保护电路中,RC吸收电路可以用来抑制开关过程中产生的尖峰电压;在通信和计算机系统中,RC吸收电路可以用来滤除高频噪声,提高信号的质量。
五、产生原因
板子上的元件和走线都是存在电抗(阻抗、容抗和感抗)的。在插拔电源的时候,对于电容来说,两端电压不能突变,但是由i = C d u d t i=C\frac{du}{dt}i=C dt/du可知此时电容也会产生比较大的尖峰电流,这个尖峰电流遇到电抗会产生尖峰电压。对于电感来说,流过的电流不能突变,但是由u = L d i d t u=L\frac{di}{dt}u=L dt/di可知此时电感两端也会产生比较大的尖峰电压。这个尖峰电压也蕴藏着很大的尖峰能量,所以需要使用RC吸收电路进行一定的吸收,有两个好处:降低尖峰电压和吸收能量。
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,漏感、布线电感等
减少可能引起电压尖峰的电流,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
案例一:
仿真实际情况:
案例二:
实际工作曲线:
六、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。
总结:
RC吸收电路广泛应用于电子电路,通过电阻与电容的组合,有效抑制尖峰电压、减少电磁干扰、稳定电路工作,并防止器件损坏。其设计需精细选择电阻与电容值,以平衡吸收能力与电路延迟。应用广泛于电力电子、通信及计算机等领域。电压尖峰主要由电感续流引起,减少尖峰需从电感与电流两方面入手,吸收为最后措施。RCD吸收利用非线性开关破坏谐振条件,控制电压尖峰,同时实现软关断。然而,其不适用于反激拓扑及对二极管反压尖峰的吸收,需根据具体电路拓扑选择合适的吸收方案。