高頻電源模塊的噪聲產(chǎn)生原因及抑制辦法研究

1 副邊整流二極管的反向恢復(fù)過程

實際上已導(dǎo)通的二極管在突然加上反向電壓的一段時間內(nèi)，電流下降到零以后，它并不立刻停止導(dǎo)通，還處于反向低阻狀態(tài)。此時在反向電壓作用下，載流子進入復(fù)合過程，于是在反方向繼續(xù)流過電流；當(dāng)載流子復(fù)合完畢，反向電流才迅速衰減到零。這個階段就是二極管的反向恢復(fù)過程，如圖1所示。

在反向電流衰減過程中，電路產(chǎn)生強烈的過渡過程，它在關(guān)斷元件兩端產(chǎn)生極高的過電壓，即換流過電壓；另外，因電流衰減時在關(guān)斷元件上同時存在電流與電壓，在元件中瞬時產(chǎn)生極大的功率，即所謂關(guān)斷功率。

二極管振蕩的等效電路如圖2所示。

圖中，Lk為變壓器的漏感，Lp為二極管的串聯(lián)寄生電感，Cp為二極管的并聯(lián)寄生電容，VD為理想二極管。

當(dāng)副邊電壓為零時，在全橋整流器中四個二極管全部導(dǎo)通，輸出濾波電感電流處于自然續(xù)流狀態(tài)。而當(dāng)副邊電壓變化為高電壓U2時，整流橋中有兩只二極管要關(guān)斷，兩只二極管繼續(xù)導(dǎo)通。這時變壓器的漏感和整流管的串聯(lián)寄生電感Lp就開始與整流管的并聯(lián)寄生電容Cp之間產(chǎn)生寄生振蕩。二極管電流與電壓波形呈指數(shù)衰減的高頻振蕩波形，在二極管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很高反向電壓浪涌。它的存在不但增加了二極管的功耗，而且也對輸出電能質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。特別是在大功率應(yīng)用中，巨大的電壓尖峰很有可能造成二極管的過壓擊穿。因此在設(shè)計中應(yīng)予以特別關(guān)注。

2 減小電壓尖峰的對策

整流二極管的反向恢復(fù)時間除由器件本身的性能決定外，還受許多電路因素的影響。包括其導(dǎo)通時流過的正向電流的大小、正向電流的下降速率、反向電壓的大小以及反向電壓的上升速率等。

反向電流i是產(chǎn)生電壓尖峰的根源，減小i的數(shù)值無疑是抑制尖峰的根本措施。選用合適的整流二極管，例如：快恢復(fù)二極管，雖然反向恢復(fù)時間短，反向恢復(fù)損耗小，但恢復(fù)特性較硬，電壓尖峰仍然很大?？蛇m當(dāng)選用恢復(fù)特性相對較軟(tb／ta值小)的軟快恢復(fù)二極管。另外適當(dāng)加大二極管電流容量或者多管并聯(lián)以減小通過每只管的正向電流都能對抑制電壓尖峰起到積極的影響。合理的布局布線，減小變壓器漏感及引線電感，從而減小振蕩也是一個抑制尖峰的根本方法。

當(dāng)器件選好，布線完畢后，我們還能通過外加緩沖電路的辦法抑制電壓尖峰。常用的緩沖電路有以下幾種：

(1)RC吸收電路

解決功率二極管反向恢復(fù)問題最常見的辦法是采用RC吸收電路，它是在每個二極管上并聯(lián)一個R和C的串聯(lián)支路。RC吸收電路如圖3所示二極管反向關(guān)斷時，寄生電感中的能量對寄生電容充電，同時還通過吸收電阻R對吸收電容C充電。在吸收同樣能量的情況下，吸收電容越大，其上的電壓就越??；當(dāng)二極管快速正向?qū)〞r，C通過R放電，能量的大部分將消耗在R上。雖然這種吸收網(wǎng)絡(luò)能夠有效的抑制反向電壓尖峰，但是它是有損耗的，相當(dāng)于把整流二極管的關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移到了RC吸收電路上，不利于提高變換器的效率。

(2)有源鉗位

為了降低損耗，有人提出了一種主動鉗位電路，它由鉗位開關(guān)管TVs、鉗位二極管VDs和鉗位電容Cs組成，Cs的容量較大。如圖4所示。

主動鉗位緩沖電路可以將整流橋上的電壓鉗位在一個適當(dāng)?shù)碾妷荷?。而且因為該緩沖電路中沒有電阻，故不存在損耗。同時TVs零電壓開關(guān)，也沒有開關(guān)損耗，因此主動鉗位緩沖電路的損耗比RC吸收電路小的多。但該方法需要增加一套控制電路和一個有源器件TVs，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而降低了可靠性。

(3)串飽和電感(尖峰抑制器)

串聯(lián)飽和電感(尖峰抑制器)是解決二極管反向恢復(fù)問題的另一種常用方法，如圖5所示。

在正常流通時，抑制噪聲的磁芯飽和，具有很低的電感，幾乎不存儲能量。而在電流減少并試圖過零時，矩形磁滯回線的磁芯退出飽和，磁芯表現(xiàn)出很大電感。這很大的電感阻止了電流相反方向變化，抑制了反向電流，也就消除了反向電流引起的尖峰。通常采用矩形磁滯回線材料的尖峰抑制器實現(xiàn)尖峰抑制。

當(dāng)二極管導(dǎo)通時，流過電流Io(圖6(a)中“I”)，尖峰抑制器飽和(圖6(b)中“I”)，磁導(dǎo)率為空氣磁導(dǎo)率μo，尖峰抑制器等效電感很小，相當(dāng)于導(dǎo)線電感。

當(dāng)二極管關(guān)斷時，其正向電流由Io減少到零(圖(a)中“II”)時，磁芯沿著磁化曲線“II”去磁，直到縱坐標上Br值。磁芯仍呈現(xiàn)低阻抗。由于二極管存在存儲電荷仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，而電路中存在反向電壓，試圖流過反向電流。如果沒有尖峰抑制器，在反向電壓的作用下，流過很大的反向恢復(fù)電流(圖(a)中虛線所示)，此大電流在寄生電感中存儲能量，然后進入反向恢復(fù)時間trr，二極管反向電流下降。此反向恢復(fù)電流下降時造成很大的電壓尖峰和電路噪聲。當(dāng)串入尖峰抑制器時，二極管在反向電壓作用下開始試圖流過反向電流時，尖峰抑制器退出飽和，呈現(xiàn)很大的阻抗，只有極小的反向電流(圖(a)中過零陰影部分“III”)使磁芯沿磁化曲線“III”段去磁，這里磁導(dǎo)率非常高，視在電感很大，有效地阻止了高di／dt的反向恢復(fù)電流，使硬恢復(fù)變成軟恢復(fù)，使得噪聲大大減少。磁化能量絕大部分變成了磁滯損耗和渦流損耗。

如果在二極管反向恢復(fù)時間內(nèi)，磁芯的伏秒足夠大，即二極管反向阻斷(圖(a)中“IV”)前沒有反向飽和(圖(b)中“IV”點)，二極管完全恢復(fù)，則噪聲基本上可以消除。

當(dāng)二極管再次導(dǎo)通(圖(a)中“V”)時，磁芯仍處于高阻抗，減少二極管正向電流上升率。在大功率二極管中，有利于改善二極管的正向恢復(fù)特性。磁芯被正向電流經(jīng)“V”向飽和磁化。以后重復(fù)“I”～“V”的過程。從工作原理可以看到，磁珠具有優(yōu)良的抑制噪聲性能。要抑制電路中的噪聲必須滿足下式：

3 結(jié)束語

以上方案在抑制電壓尖峰的同時，減小了緩沖電路的損耗，但增加了磁性元件的數(shù)量。