開關(guān)電源中的緩沖吸收電路

基本拓?fù)潆娐飞弦话銢]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?/p>

緩沖電路是控制開關(guān)器件快速上升和下降引起的瞬態(tài)尖峰的重要辦法。 它們通常主要是由一些無源器件組成的網(wǎng)絡(luò)，用來控制電路中無功元件產(chǎn)生的振蕩。 合理的緩沖電路，可以提高電路的可靠性和效率，降低EMI，并實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率。 緩沖器的基本目的是吸收由寄生成分引起的無功能量，并且將能量消耗掉或者將引導(dǎo)至能夠回收的地方。

而來自磁性器件和長PCB走線或環(huán)路中的電感，以及半導(dǎo)體結(jié)電容和布線耦合，這些是無功能量的常見來源。 無論如何由于根本原因通常是寄生參數(shù)的影響，所以最重要的原則是盡量減少這些寄生參數(shù)。 至于怎么樣才能做到這一點(diǎn)，將在后面的章節(jié)中更詳細(xì)地討論。 但在這里，我們是假設(shè)在PCB布局已經(jīng)很好地完成了接下來談?wù)撊绾卧O(shè)計緩沖器大多數(shù)緩沖器都是針對特定的問題去設(shè)計的但是還是做一些分類可以幫助理解。 第一個分類標(biāo)準(zhǔn)是將它們分成無源(只是電阻、電容、電感和二極管的組合)和有源(使用開關(guān)管)緩沖吸收電路，但另一個分類標(biāo)準(zhǔn)是看緩沖器是屬于能量耗散還是非耗散類型，第三個分類標(biāo)準(zhǔn)是控制電壓還是電流。 任何時候感性元件遇到容性元件，如果還存在快速變化的電流或電壓，其結(jié)果可能就是產(chǎn)生振蕩。

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(yuǎn)離危險工作區(qū)，從而提高可靠性

降低(開關(guān))器件損耗，或者實(shí)現(xiàn)某種程度的關(guān)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?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：

● 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(fù)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(shù)措施

拓?fù)湮?/p>

將開關(guān)管Q1、拓?fù)淅m(xù)流二極管D1和一個無損的拓?fù)潆娙軨2組成一個在布線上盡可能簡短的吸收回路。

拓?fù)湮盏奶攸c(diǎn)：

● 同時將Q1、D1的電壓尖峰、振鈴減少到最低程度。

● 拓?fù)湮帐菬o損吸收，效率較高。

● 吸收電容C2可以在大范圍內(nèi)取值。

● 拓?fù)湮帐怯查_關(guān)，因?yàn)橥負(fù)涫怯查_關(guān)。

體二極管反向恢復(fù)吸收

開關(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

● RC吸收的本質(zhì)是阻尼吸收。

● 有人認(rèn)為R 是限流作用，C是吸收。 實(shí)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(yīng)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(shè)計

● RC吸收的設(shè)計方法的難點(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、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(dǎo)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?fù)浞瓷潆妷骸?/p>

● 工程上一般應(yīng)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(shí)際布線在板調(diào)試，才能獲得最終設(shè)計參數(shù)。

RCD 吸收

特點(diǎn)

● RCD吸收不是阻尼吸收，而是靠非線性開關(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。

● 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(yīng)該滿足開關(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)取值對吸收效果影響甚微。

● RCD吸收會在被保護(hù)的開關(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)斷動作會在C 上形成一個充電過程，延緩電壓恢復(fù)，降低dv/dt，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。

不適應(yīng)性

● 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。

● RCD吸收一般不適合對二極管反壓尖峰的吸收，因?yàn)镽CD吸收動作有可能加劇二極管反向恢復(fù)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(yuǎn)小于PWM周期，而RCD鉗位的RC時間常數(shù)遠(yuǎn)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(yīng)不小于拓?fù)浞瓷潆妷?，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(fù)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(luò)不得使用電阻。

● 不得形成LD電流回路。

● 吸收回路不得成為拓?fù)潆娏髀窂健?/p>

● 吸收能量必須轉(zhuǎn)移到輸入側(cè)或者輸出側(cè)。

● 盡量減少吸收回路二極管反向恢復(fù)電流的影響。

無損吸收是強(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?，比如?/p>

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(fù)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(shè)計不恰當(dāng)?shù)奈针娙荨⒃O(shè)計不恰當(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(dǎo)通電流沖擊，可實(shí)現(xiàn)某種程度的軟開通(ZIS)。

● 變壓器漏感也可以充當(dāng)緩沖電感。

LD 緩沖特點(diǎn)：

● 可不需要吸收電路配合。

● 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。

● 緩沖釋能二極管的損耗可以簡單理解為開關(guān)管減少的損耗。

● 適當(dāng)?shù)木彌_電感(L3)參數(shù)可以大幅度減少開關(guān)管損耗，實(shí)現(xiàn)高效率。

LR 緩沖特點(diǎn)：

● 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(guān)管轉(zhuǎn)移出來的損耗。

● R、L參數(shù)必須實(shí)現(xiàn)最佳配合，參數(shù)設(shè)計調(diào)試比較難以掌握。

● 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

● 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(jìn)入飽和，從而延緩和削弱了沖擊電流尖峰，即實(shí)現(xiàn)軟開通。

● 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。

● 在電流關(guān)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(fù)可以減緩電壓的上升速度，有利于實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。

● 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)442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(jìn)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(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，如果一個適合的磁芯配合1 匝的飽和電感，將沒有使用更高導(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。 比如細(xì)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(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(gòu)成無源無損緩沖吸收電路，實(shí)際上這也是無源軟開關(guān)電路。

● 緩沖電感的存在延遲和削弱的開通沖擊電流，實(shí)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(guān)斷電壓的dv/dt，實(shí)現(xiàn)了一定程度的軟關(guān)斷。

● 實(shí)現(xiàn)無源軟開關(guān)的條件與無損吸收大致相同。 并不是所有拓?fù)涠寄軌虼罱ǔ鲆粋€無源軟開關(guān)電路。 因此除了經(jīng)典的電路外，很多無源軟開關(guān)電路都是被專利的熱門。

● 無源無損軟開關(guān)電路效率明顯高于其他緩沖吸收方式，與有源軟開關(guān)電路效率相差無幾。 因此只要能夠?qū)崿F(xiàn)無源軟開關(guān)的電路，可不必采用有源軟開關(guān)。

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(dǎo)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(shí)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(guān)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(cè)，電解位于直流(工頻)側(cè)，各自承擔(dān)對應(yīng)的濾波任務(wù)。

● 設(shè)計原則：Π形濾波網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率Fn應(yīng)該錯開PWM頻率Fp。 可取Fp=(1.5～2)Fn 。

● 這一設(shè)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(yīng)力的電路結(jié)構(gòu)。

振鈴的危害：

● MEI測試在振鈴頻率容易超標(biāo)。

● 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(jié)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(jié)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(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：

● 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?/p>

● RC 吸收，其中C可與振鈴(結(jié))電容大致相當(dāng)，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(shè)計不當(dāng)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(fù)電流通道，就能夠獲得正負(fù)電壓輸出。 其設(shè)計要點(diǎn)為：

RCD吸收電路參數(shù)應(yīng)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。

審核編輯：湯梓紅

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