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盘点开关电源中的缓冲吸收电路(上)

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  • 2021-6-3 09:36:25
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。

缓冲电路是控制开关器件快速上升和下降引起的瞬态尖峰的重要办法。它们通常主要是由一些无源器件组成的网络,用来控制电路中无功元件产生的振荡。合理的缓冲电路,可以提高电路的可靠性和效率,降低EMI,并实现更高的工作频率。缓冲器的基本目的是吸收由寄生成分引起的无功能量,并且将能量消耗掉或者将引导至能够回收的地方。

而来自磁性器件和长PCB走线或环路中的电感,以及半导体结电容和布线耦合,这些是无功能量的常见来源。无论如何由于根本原因通常是寄生参数的影响,所以最重要的原则是尽量减少这些寄生参数。至于怎么样才能做到这一点,将在后面的章节中更详细地讨论。但在这里,我们是假设在PCB布局已经很好地完成了接下来谈论如何设计缓冲器大多数缓冲器都是针对特定的问题去设计的但是还是做一些分类可以帮助理解。第一个分类标准是将它们分成无源(只是电阻、电容、电感和二极管的组合)和有源(使用开关管)缓冲吸收电路,但另一个分类标准是看缓冲器是属于能量耗散还是非耗散类型,第三个分类标准是控制电压还是电流。任何时候感性元件遇到容性元件,如果还存在快速变化的电流或电压,其结果可能就是产生振荡。

微信图片_20210603092609.jpg
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
  • 提高效率(提高效率是可能的,但弄不好也可能降低效率)

也就是说,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。
吸收:吸收是对电压尖峰而言。
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,比如漏感、布线电感等
  • 减少可能引起电压尖峰的电流,比如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

拓扑吸

                                                                                                   微信图片_20210603092639.png
将开关管Q1、拓扑续流二极管D1和一个无损的拓扑电容C2组成一个在布线上尽可能简短的吸收回路。

拓扑吸收的特点:
  • 同时将Q1、D1的电压尖峰、振铃减少到最低程度。
  • 拓扑吸收是无损吸收,效率较高。
  • 吸收电容C2可以在大范围内取值。
  • 拓扑吸收是硬开关,因为拓扑是硬开关。

体二极管反向恢复吸收开关器件的体二极管的反向恢复特性,在关断电压的上升沿发挥作用,有降低电压尖峰的吸收效应。
RC吸收

                                                                                                          微信图片_20210603092705.png
  • RC吸收的本质是阻尼吸收。
  • 有人认为R 是限流作用,C是吸收。实际情况刚好相反。
  • 电阻R 的最重要作用是产生阻尼,吸收电压尖峰的谐振能量,是功率器件。
  • 电容C的作用也并不是电压吸收,而是为R阻尼提供能量通道。
  • RC吸收并联于谐振回路上,C提供谐振能量通道,C 的大小决定吸收程度,最终目的是使R形成功率吸收。
  • 对应一个特定的吸收环境和一个特定大小的电容C,有一个最合适大小的电阻R,形成最大的阻尼、获得最低的电压尖峰。
  • RC吸收是无方向吸收,因此RC吸收既可以用于单向电路的吸收,也可用于双向或者对称电路的吸收。

RC吸收设计
                                                                                                       微信图片_20210603092814.png
  • RC吸收的设计方法的难点在于:吸收与太多因素有关,比如漏感、绕组结构、分布电感电容、器件等效电感电容、电流、电压、功率等级、di/dt、dv/dt、频率、二极管反向恢复特性等等。而且其中某些因素是很难获得准确的设计参数的。
  • 比如对二极管反压的吸收,即使其他情况完全相同,使用不同的二极管型号需要的RC吸收参数就可能有很大差距。很难推导出一个通用的计算公式出来。
  • R 的损耗功率可大致按下式估算:Ps = FCU2其中U为吸收回路拓扑反射电压。
  • 工程上一般应该在通过计算或者仿真获得初步参数后,还必须根据实际布线在板调试,才能获得最终设计参数。


RCD吸收

                                                                                                             微信图片_20210603092841.png 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。

钳位吸收RCD钳位:
  • 尽管RCD钳位与RCD吸收电路可以完全相同,但元件参数和工况完全不同。RCD吸收RC时间常数远小于PWM周期,而RCD钳位的RC时间常数远大于PWM周期。
  • 与RCD吸收电容的全充全放工况不同,RCD钳位的电容可以看成是电压源,其RC充放电幅度的谷值应不小于拓扑反射电压,峰值即钳位电压。
  • 由于RCD钳位在PWM电压的上升沿和下降沿都不会动作,只在电压尖峰出现时动作,因此RCD钳位是高效率的吸收。

齐纳钳位:
  • 齐纳钳位的几种形式。
  • 齐纳钳位也是在电压尖峰才起作用,也是高效率吸收。
  • 某些场合,齐纳钳位需要考虑齐纳二极管的反向恢复特性对电路的影响。
  • 齐纳吸收需注意吸收功率匹配,必要时可用有源功率器件组成大功率等效电路


无损吸收
                                                                                                                微信图片_20210603092907.png
无损吸收的条件:
  • 吸收网络不得使用电阻。
  • 不得形成LD电流回路。
  • 吸收回路不得成为拓扑电流路径。
  • 吸收能量必须转移到输入侧或者输出侧。
  • 尽量减少吸收回路二极管反向恢复电流的影响。


无损吸收是强力吸收,不仅能够吸收电压尖峰,甚至能够吸收拓扑反射电压,比如: 微信图片_20210603092936.png


缓冲

缓冲是对冲击尖峰电流而言
  • 引起电流尖峰第一种情况是二极管(包括体二极管)反向恢复电流。
  • 引起电流尖峰第二种情况是对电容的充放电电流。这些电容可能是:电路分布电容、变压器绕组等效分布电容、设计不恰当的吸收电容、设计不恰当的谐振电容、器件的等效模型中的电容成分等等。

缓冲的基本方法:在冲击电流尖峰的路径上串入某种类型的电感,可以是以下类型:
微信图片_20210603092955.png 缓冲的特性:
  • 由于缓冲电感的串入会显著增加吸收的工作量,因此缓冲电路一般需要与吸收电路配合使用。
  • 缓冲电路延缓了导通电流冲击,可实现某种程度的软开通(ZIS)。
  • 变压器漏感也可以充当缓冲电感。

LD缓冲
微信图片_20210603093012.png 特点:
  • 可不需要吸收电路配合。
  • 缓冲释能二极管与拓扑续流二极管电流应力相当甚至更大。
  • 缓冲释能二极管的损耗可以简单理解为开关管减少的损耗。
  • 适当的缓冲电感(L3)参数可以大幅度减少开关管损耗,实现高效率。


LR缓冲
微信图片_20210603093029.png
特点:
  • 需要吸收电路配合以转移电感剩余能量。
  • 缓冲释能电阻R的损耗较大,可简单理解为是从开关管转移出来的损耗。
  • R、L参数必须实现最佳配合,参数设计调试比较难以掌握。
  • 只要参数适当仍然能够实现高效率。



饱和电感缓冲
微信图片_20210603093051.png
  • 饱和电感的电气性能表现为对di/dt敏感。
  • 在一个冲击电流的上升沿,开始呈现较大的阻抗,随着电流的升高逐渐进入饱和,从而延缓和削弱了冲击电流尖峰,即实现软开通。
  • 在电流达到一定程度后,饱和电感因为饱和而呈现很低的阻抗,这有利于高效率地传输功率。
  • 在电流关断时,电感逐渐退出饱和状态,一方面,由于之前的饱和状态的饱和电感量非常小,即储能和需要的释能较小。另一方面,退出时电感量的恢复可以减缓电压的上升速度,有利于实现软关断。
  • 以Ls2为例,5u表示磁路截面积5mm2,大致相当于1颗PC40材质4*4*2的小磁芯。

饱和电感特性:
  • 热特性

饱和电感是功率器件,通过进入和退出饱和过程的磁滞损耗(而不是涡流损耗或者铜损)吸收电流尖峰能量,主要热功率来自于磁芯。这一方面要求磁芯应该是高频材料,另一方面要求磁芯温度在任何情况下不得超过居里温度。这意味着饱和电感的磁芯应该具有最有利的散热特性和结构,即:更高的居里温度、更高的导热系数、更大的散热面积、更短的热传导路径。
  • 饱和特性

显然饱和电感一般不必考虑使用气隙或者不易饱和的低导磁率材料。
  • 初始电感等效特性

在其他条件相同情况下,较低导磁率的磁芯配合较多匝数、与较高导磁率的磁芯配合较少匝数的饱和电感初始电感相当,缓冲效果大致相当。这意味着直接采用1 匝的穿心电感总是可能的,因为任何多匝的电感总可以找到更高导磁率的磁芯配合1 匝等效之。这还意味着磁芯最高导磁率受到限制,如果一个适合的磁芯配合1 匝的饱和电感,将没有使用更高导磁率的磁芯配合更少匝数的可能。
  • 磁芯体积等效特性

在其他条件相同情况下,相同体积的磁芯的饱和电感缓冲效果大致相当。既然如此,磁芯可以按照最有利于散热的磁路进行设计。比如细长的管状磁芯比环状磁芯、多个小磁芯比集中一个大磁芯、穿心电感比多匝电感显然具有更大的散热表面积。
  • 组合特性

有时候,单一材质的磁芯并不能达到工程上需要的缓冲效果,采用多种材质的磁芯相互配合或许才能能够满足工程需要。
微信图片_20210603093109.png



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