開(kāi)關(guān)電源中的全部緩沖吸收電路解析

基本拓?fù)潆娐飞弦话銢](méi)有吸收緩沖電路，實(shí)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?fù)湫枰?。吸收與緩沖的功效：1.防止器件損壞，吸收防止電壓擊穿，緩沖防止電流擊穿。2.使功率器件遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作區(qū)，從而提高可靠性。3.降低（開(kāi)關(guān)）器件損耗，或者實(shí)現(xiàn)某種程度的軟開(kāi)關(guān)。4.降低di/dt和dv/dt，降低振鈴，改善EMI品質(zhì)。5.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(shuō)，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(jià)值的。吸收：吸收是對(duì)電壓尖峰而言。電壓尖峰的成因：1.電壓尖峰是電感續(xù)流引起的。2.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。3.引起電壓尖峰的電流可能是：拓?fù)潆娏?、二極管反向恢復(fù)電流、不恰當(dāng)?shù)闹C振電流等。減少電壓尖峰的主要措施是：1.減少可能引起電壓尖峰的電感，比如漏感、布線電感等2.減少可能引起電壓尖峰的電流，比如二極管反向恢復(fù)電流等3.如果可能的話，將上述電感能量轉(zhuǎn)移到別處。4.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(shù)措施.拓?fù)湮鼘㈤_(kāi)關(guān)管Q1、拓?fù)淅m(xù)流二極管D1和一個(gè)無(wú)損的拓?fù)潆娙軨2組成一個(gè)在布線上盡可能簡(jiǎn)短的吸收回路。拓?fù)湮盏奶攸c(diǎn)：1.同時(shí)將Q1、D1的電壓尖峰、振鈴減少到最低程度。2.拓?fù)湮帐菬o(wú)損吸收，效率較高。3.吸收電容C2可以在大范圍內(nèi)取值。4.拓?fù)湮帐怯查_(kāi)關(guān)，因?yàn)橥負(fù)涫怯查_(kāi)關(guān)。體二極管反向恢復(fù)吸收開(kāi)關(guān)器件的體二極管的反向恢復(fù)特性，在關(guān)斷電壓的上升沿發(fā)揮作用，有降低電壓尖峰的吸收效應(yīng)。RC吸收對(duì)RC吸收的理解1.RC吸收的本質(zhì)是阻尼吸收。2.有人認(rèn)為R是限流作用，C是吸收。實(shí)際情況剛好相反。3.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。4.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。5.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。6.對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的吸收環(huán)境和一個(gè)特定大小的電容C，有一個(gè)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。7.RC吸收是無(wú)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(duì)稱電路的吸收。RC吸收設(shè)計(jì)1.RC吸收的設(shè)計(jì)方法的難點(diǎn)在于：吸收與太多因素有關(guān)，比如漏感、繞組結(jié)構(gòu)、分布電感電容、器件等效電感電容、電流、電壓、功率等級(jí)、di/dt、dv/dt、頻率、二極管反向恢復(fù)特性等等。而且其中某些因素是很難獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)的。2.比如對(duì)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(hào)需要的RC吸收參數(shù)就可能有很大差距。很難推導(dǎo)出一個(gè)通用的計(jì)算公式出來(lái)。3.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?fù)浞瓷潆妷骸?.工程上一般應(yīng)該在通過(guò)計(jì)算或者仿真獲得初步參數(shù)后，還必須根據(jù)實(shí)際布線在板調(diào)試，才能獲得最終設(shè)計(jì)參數(shù)。RCD吸收特點(diǎn):1.RCD吸收不是阻尼吸收，而是靠非線性開(kāi)關(guān)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。2.C的大小決定吸收效果（電壓尖峰），同時(shí)決定了吸收功率（即R的熱功率）。3.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(yīng)該滿足開(kāi)關(guān)管的電流限制，最大值應(yīng)該滿足PWM逆程RC放電周期需要，在此范圍內(nèi)取值對(duì)吸收效果影響甚微。4.RCD吸收會(huì)在被保護(hù)的開(kāi)關(guān)器件上實(shí)現(xiàn)某種程度的軟關(guān)斷，這是因?yàn)殛P(guān)斷瞬間開(kāi)關(guān)器件上的電壓即吸收電容C上的電壓等于0，關(guān)斷動(dòng)作會(huì)在C上形成一個(gè)充電過(guò)程，延緩電壓恢復(fù)，降低dv/dt，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。不適應(yīng)性:1.RCD吸收一般不適合反激拓?fù)涞奈?，這是因?yàn)镽CD吸收可能與反激拓?fù)湎鄾_突。2.RCD吸收一般不適合對(duì)二極管反壓尖峰的吸收，因?yàn)镽CD吸收動(dòng)作有可能加劇二極管反向恢復(fù)電流。鉗位吸收RCD鉗位1.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(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于PWM周期，而RCD鉗位的RC時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于PWM周期。2.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(yīng)不小于拓?fù)浞瓷潆妷?，峰值即鉗位電壓。3.由于RCD鉗位在PWM電壓的上升沿和下降沿都不會(huì)動(dòng)作，只在電壓尖峰出現(xiàn)時(shí)動(dòng)作，因此RCD鉗位是高效率的吸收。齊納鉗位1.齊納鉗位的幾種形式。2.齊納鉗位也是在電壓尖峰才起作用，也是高效率吸收。3.某些場(chǎng)合，齊納鉗位需要考慮齊納二極管的反向恢復(fù)特性對(duì)電路的影響。4.齊納吸收需注意吸收功率匹配,必要時(shí)可用有源功率器件組成大功率等效電路.無(wú)損吸收無(wú)損吸收的條件1.吸收網(wǎng)絡(luò)不得使用電阻。2.不得形成LD電流回路。3.吸收回路不得成為拓?fù)潆娏髀窂健?.吸收能量必須轉(zhuǎn)移到輸入側(cè)或者輸出側(cè)。5.盡量減少吸收回路二極管反向恢復(fù)電流的影響。無(wú)損吸收是強(qiáng)力吸收，不僅能夠吸收電壓尖峰，甚至能夠吸收拓?fù)浞瓷潆妷海热纾壕彌_緩沖是對(duì)沖擊尖峰電流而言1.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(fù)電流。2.引起電流尖峰第二種情況是對(duì)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(shè)計(jì)不恰當(dāng)?shù)奈针娙?、設(shè)計(jì)不恰當(dāng)?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(lèi)型的電感，可以是以下類(lèi)型：緩沖的特性：1.由于緩沖電感的串入會(huì)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。2.緩沖電路延緩了導(dǎo)通電流沖擊，可實(shí)現(xiàn)某種程度的軟開(kāi)通（ZIS)。3.變壓器漏感也可以充當(dāng)緩沖電感。LD緩沖特點(diǎn)：1.可不需要吸收電路配合。2.緩沖釋能二極管與拓?fù)淅m(xù)流二極管電流應(yīng)力相當(dāng)甚至更大。3.緩沖釋能二極管的損耗可以簡(jiǎn)單理解為開(kāi)關(guān)管減少的損耗。4.適當(dāng)?shù)木彌_電感（L3）參數(shù)可以大幅度減少開(kāi)關(guān)管損耗，實(shí)現(xiàn)高效率。LR緩沖特點(diǎn)：1.需要吸收電路配合以轉(zhuǎn)移電感剩余能量。2.緩沖釋能電阻R的損耗較大，可簡(jiǎn)單理解為是從開(kāi)關(guān)管轉(zhuǎn)移出來(lái)的損耗。3.R、L參數(shù)必須實(shí)現(xiàn)最佳配合，參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)試比較難以掌握。4.只要參數(shù)適當(dāng)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高效率。飽和電感緩沖對(duì)飽和電感的描述1.飽和電感的電氣性能表現(xiàn)為對(duì)di/dt敏感。2.在一個(gè)沖擊電流的上升沿，開(kāi)始呈現(xiàn)較大的阻抗，隨著電流的升高逐漸進(jìn)入飽和，從而延緩和削弱了沖擊電流尖峰，即實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)通。3.在電流達(dá)到一定程度后，飽和電感因?yàn)轱柡投尸F(xiàn)很低的阻抗，這有利于高效率地傳輸功率。4.在電流關(guān)斷時(shí)，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(chǔ)能和需要的釋能較小。另一方面，退出時(shí)電感量的恢復(fù)可以減緩電壓的上升速度，有利于實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。5.以Ls2為例，5u表示磁路截面積5mm2，大致相當(dāng)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(guò)進(jìn)入和退出飽和過(guò)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(lái)自于磁芯。這一方面要求磁芯應(yīng)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(guò)居里溫度。這意味著飽和電感的磁芯應(yīng)該具有最有利的散熱特性和結(jié)構(gòu)，即：更高的居里溫度、更高的導(dǎo)熱系數(shù)、更大的散熱面積、更短的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)磁率的磁芯配合較多匝數(shù)、與較高導(dǎo)磁率的磁芯配合較少匝數(shù)的飽和電感初始電感相當(dāng)，緩沖效果大致相當(dāng)。這意味著直接采用1匝的穿心電感總是可能的，因?yàn)槿魏味嘣训碾姼锌偪梢哉业礁邔?dǎo)磁率的磁芯配合1匝等效之。這還意味著磁芯最高導(dǎo)磁率受到限制，如果一個(gè)適合的磁芯配合1匝的飽和電感，將沒(méi)有使用更高導(dǎo)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(dāng)。既然如此，磁芯可以按照最有利于散熱的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如細(xì)長(zhǎng)的管狀磁芯比環(huán)狀磁芯、多個(gè)小磁芯比集中一個(gè)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(shí)候，單一材質(zhì)的磁芯并不能達(dá)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(wú)源無(wú)損緩沖吸收無(wú)損緩沖：1.如果緩沖電感本身是無(wú)損的（非飽和電感），而其電感儲(chǔ)能又是經(jīng)過(guò)無(wú)損吸收的方式處理的，即構(gòu)成無(wú)源無(wú)損緩沖吸收電路，實(shí)際上這也是無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路。2，緩沖電感的存在延遲和削弱的開(kāi)通沖擊電流，實(shí)現(xiàn)了一定程度的軟開(kāi)通。3.無(wú)損吸收電路的存在延遲和降低了關(guān)斷電壓的dv/dt，實(shí)現(xiàn)了一定程度的軟關(guān)斷。4.實(shí)現(xiàn)無(wú)源軟開(kāi)關(guān)的條件與無(wú)損吸收大致相同。并不是所有拓?fù)涠寄軌虼罱ǔ鲆粋€(gè)無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路。因此除了經(jīng)典的電路外，很多無(wú)源軟開(kāi)關(guān)電路都是被專利的熱門(mén)。5.無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)電路效率明顯高于其他緩沖吸收方式，與有源軟開(kāi)關(guān)電路效率相差無(wú)幾。因此只要能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)源軟開(kāi)關(guān)的電路，可不必采用有源軟開(kāi)關(guān)。吸收緩沖電路性能濾波緩1.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(jí)），這引起兩方面問(wèn)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(dǎo)致的可靠性和壽命問(wèn)題。2.一般方法是在電解電容上并聯(lián)高頻無(wú)損電容，而事實(shí)上，這一方法并不能使上述問(wèn)題獲得根本的改變，這是由于高頻無(wú)損電容在開(kāi)關(guān)電源常用頻率范圍內(nèi)仍然存在較大的阻抗的緣故。3.提出的辦法是：用電感將電解和CBB分開(kāi)，CBB位于高頻紋波電流側(cè)，電解位于直流（工頻）側(cè)，各自承擔(dān)對(duì)應(yīng)的濾波任務(wù)。4.設(shè)計(jì)原則：Π形濾波網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率Fn應(yīng)該錯(cuò)開(kāi)PWM頻率Fp。可取Fp=（1.5～２）Fn。5.這一設(shè)計(jì)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(yīng)力的電路結(jié)構(gòu)。振鈴振鈴的危害：1.MEI測(cè)試在振鈴頻率容易超標(biāo)。2.振鈴將引起振鈴回路的損耗，造成器件發(fā)熱和降低效率。3.振鈴電壓幅度超過(guò)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：1.振鈴多半是由結(jié)電容和某個(gè)等效電感的諧振產(chǎn)生的。對(duì)于一個(gè)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(gè)頻率，而頻率可以觀察獲得。電容多半是某個(gè)器件的結(jié)電容，電感則可能是漏感。2.振鈴最容易在無(wú)損（無(wú)電阻的）回路發(fā)生。比如：副邊二極管結(jié)電容與副邊漏感的諧振、雜散電感與器件結(jié)電容的諧振、吸收回路電感與器件結(jié)電容的諧振等等。振鈴的抑制：1.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(dāng)?shù)拇胖橐部赡茉黾诱疋彙?.RC吸收，其中C可與振鈴（結(jié)