開(kāi)關(guān)管吸收回路等效電路分析與設(shè)計(jì)

等效電路：

L：變壓器漏感及元器件引線電感等雜散電感之和。

R、C：吸收電阻電容。

D、Cd：整流二極管，Cd為D的結(jié)電容。

Q、Coss：開(kāi)關(guān)MOSFET，Coss為MOSFET的結(jié)電容。

開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通到截止時(shí)由于漏感L的存在，要通過(guò)R、C將其能量吸收掉，否則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓影響到元件的可靠性以及造成EMI問(wèn)題。

整流二極管截止時(shí)還有個(gè)反向恢復(fù)電流的問(wèn)題，但是把反向恢復(fù)電流最大時(shí)當(dāng)作分析的起使點(diǎn)，那在實(shí)際分析時(shí)過(guò)程還是一樣的，只是初始狀態(tài)不同。

考慮整流二極管這個(gè)回路，設(shè)流過(guò)L上的電流為I1(t)：

流過(guò)結(jié)電容Cd的電流為

流過(guò)吸收電容C的電流為

根據(jù)Cd兩端電壓等于R、C兩端電壓得到微積分方程：

由于含有積分，方程求解不便，將其求導(dǎo)，得到3階微分方程：

由于Cd很小，可以將其忽略以簡(jiǎn)化分析，得到簡(jiǎn)化后的微分方程：

考慮初始狀態(tài)I1（0）=Io，I1’（0）=(Vin-Vo)/L，其中Io為開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)電流的最大值，應(yīng)用拉普拉斯變換得到變換后的方程：

這是個(gè)2階系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)讓其工作在過(guò)阻尼狀態(tài)防止振蕩，因此要保證極點(diǎn)有2個(gè)相異實(shí)根，得到

應(yīng)用拉普拉斯逆變換可以得到電流I1(t)的解：

電感L上的電壓：

二極管D上的電壓：

假定L=0.1uH，C=220pF，Vo=12V，Vin= -60V（此時(shí)MOSFET ON，變壓器次級(jí)電壓反向，Vin由12V跳變?yōu)?60V），R=2*sqrt（L/C）=42.6ohm。

DCM狀態(tài)下Io=0，考慮不同的R值對(duì)波形的影響：

可以看到阻值越小，電壓電流的波形振蕩越多，峰值越高，越容易對(duì)回路產(chǎn)生不利影響，因此要保證工作在過(guò)阻尼狀態(tài)，電阻R不能取小。

考慮R=47ohm時(shí)不同電容C對(duì)波形的影響：

可以看到電容C越大，電壓電流變化率會(huì)減小，并且電壓的過(guò)沖會(huì)減小，這樣對(duì)EMI會(huì)有好處，但是峰值電流會(huì)變大。

考慮此時(shí)電阻R上的功率消耗，假定回路工作頻率50KHz：

可以看到正常情況下吸收電阻消耗的功率與R值大小無(wú)關(guān)，只與C及C兩端的電壓有關(guān)，因此可以看到改善EMI是以增加消耗功率為代價(jià)的，會(huì)降低回路的總體效率，因此C也不能取太大，此時(shí)P=1/2*C*(Vin-Vo)^2*f 。

需要看到此時(shí)吸收回路吸收的不是漏感L上的能量，而是電壓跳變?cè)陔娙軨上產(chǎn)生的能量。

考慮在CCM狀態(tài)下，設(shè)Io=1A和2A

C=220pF時(shí)不同R值對(duì)波形的影響：

R=47ohm時(shí)不同C值對(duì)波形的影響：

可以看到當(dāng)截止電流比較大時(shí)，電阻越大電流下降越慢，吸收電容上初始電壓就會(huì)越高，對(duì)電容耐壓要求就會(huì)越高，此時(shí)電感L及二極管D兩端電壓變化也會(huì)更快，對(duì)回路產(chǎn)生不利影響的可能性會(huì)更大，因此吸收電阻R取值也不能太大。

吸收電容上有初始電壓是因?yàn)榭紤]二極管關(guān)斷時(shí)兩端電壓不能突變，電感L電流也不能突變，從而電流經(jīng)吸收電阻在吸收電容上產(chǎn)生了初始電壓。

吸收電容的增大可以減小電壓電流的變化率。

考慮此時(shí)吸收電阻R消耗的功率：

可以看到吸收功率始終隨吸收電容C值的增大而增大，但是不同的截止電流隨吸收電阻R值的變化會(huì)有不同的變化。

因此可以根據(jù)EMI的情況選取合適的C值，然后由此C值確定R值。

可以考慮一種確定R、C值的方法，在最大截止電流的情況下確定吸收電容C上的起始電壓，這時(shí)可以計(jì)算出R值，這個(gè)R值是最大值，然后再由R值計(jì)算出C值，這時(shí)的C值是吸收電容的最小值。

考慮結(jié)二極管電容Cd的影響，設(shè)Cd=15pF：DCM狀態(tài)：Io=0，

以上是不同的吸收電阻R，考慮不同的吸收電容C：

可以看到如果吸收電阻R偏大，流過(guò)結(jié)電容的電流也會(huì)增加，并且震蕩也比較厲害，對(duì)二極管D會(huì)有不利影響，起不到保護(hù)二極管的作用。

吸收電容C的加大可以減小電壓電流的變化率。

考慮CCM狀態(tài)，Io分別為1A、2A：C=220pF，不同R的影響：

R=47ohm時(shí)不同C的影響：

可以看到截止電流越大，在二極管兩端產(chǎn)生的尖峰電壓越高，吸收電容越大，電壓電流變化率越小，吸收電阻越大，電壓尖峰越高。

以上的曲線是在初始狀態(tài)I（0）=Io，I’（0）=（Vin-Vo）/L，I’’（0）= -Io/Cd/L的條件下求得的，不同得初始條件會(huì)得到不同得曲線。由于該初始條件并不一定正確，因此得到的曲線可能與實(shí)際觀察到的波形會(huì)有較大差異，但是其變化趨勢(shì)是可以參考的。