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高频电源模块缓冲电路优化探讨

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2017年8月23日 13:37
        高频电源模块的噪声主要来自功率变换和输出整流滤波电路。ZVZCS PWM全桥变换器实现了开关管的软开关,但其输出整流二极管不是工作在软开关状态,输出整流二极管在换流时,变换器的副边存在寄生振荡。本文讨论其产生原因及抑制办法。
 
1 副边整流二极管的反向恢复过程
        实际上已导通的二极管在突然加上反向电压的一段时间内,电流下降到零以后,它并不立刻停止导通,还处于反向低阻状态。此时在反向电压作用下,载流子进入复合过程,于是在反方向继续流过电流;当载流子复合完毕,反向电流才迅速衰减到零。这个阶段就是二极管的反向恢复过程,如图1所示。
        在反向电流衰减过程中,电路产生强烈的过渡过程,它在关断元件两端产生极高的过电压,即换流过电压;另外,因电流衰减时在关断元件上同时存在电流与电压,在元件中瞬时产生极大的功率,即所谓关断功率。
        二极管振荡的等效电路如图2所示。
        图中,Lk为变压器的漏感,Lp为二极管的串联寄生电感,Cp为二极管的并联寄生电容,VD为理想二极管。
当副边电压为零时,在全桥整流器中四个二极管全部导通,输出滤波电感电流处于自然续流状态。而当副边电压变化为高电压U2时,整流桥中有两只二极管要关断,两只二极管继续导通。这时变压器的漏感和整流管的串联寄生电感Lp就开始与整流管的并联寄生电容Cp之间产生寄生振荡。二极管电流与电压波形呈指数衰减的高频振荡波形,在二极管关断瞬间会产生很高反向电压浪涌。它的存在不但增加了二极管的功耗,而且也对输出电能质量产生很大影响。特别是在大功率应用中,巨大的电压尖峰很有可能造成二极管的过压击穿。因此在设计中应予以特别关注。
 
2 减小电压尖峰的对策
        整流二极管的反向恢复时间除由器件本身的性能决定外,还受许多电路因素的影响。包括其导通时流过的正向电流的大小、正向电流的下降速率、反向电压的大小以及反向电压的上升速率等。
反向电流i是产生电压尖峰的根源,减小i的数值无疑是抑制尖峰的根本措施。选用合适的整流二极管,例如:快恢复二极管,虽然反向恢复时间短,反向恢复损耗小,但恢复特性较硬,电压尖峰仍然很大。可适当选用恢复特性相对较软(tb/ta值小)的软快恢复二极管。另外适当加大二极管电流容量或者多管并联以减小通过每只管的正向电流都能对抑制电压尖峰起到积极的影响。合理的布局布线,减小变压器漏感及引线电感,从而减小振荡也是一个抑制尖峰的根本方法。
当器件选好,布线完毕后,我们还能通过外加缓冲电路的办法抑制电压尖峰。常用的缓冲电路有以下几种:
        (1)RC吸收电路
        解决功率二极管反向恢复问题最常见的办法是采用RC吸收电路,它是在每个二极管上并联一个R和C的串联支路。RC吸收电路如图3所示二极管反向关断时,寄生电感中的能量对寄生电容充电,同时还通过吸收电阻R对吸收电容C充电。在吸收同样能量的情况下,吸收电容越大,其上的电压就越小;当二极管快速正向导通时,C通过R放电,能量的大部分将消耗在R上。虽然这种吸收网络能够有效的抑制反向电压尖峰,但是它是有损耗的,相当于把整流二极管的关断损耗转移到了RC吸收电路上,不利于提高变换器的效率。
        (2)有源钳位
        为了降低损耗,有人提出了一种主动钳位电路,它由钳位开关管TVs、钳位二极管VDs和钳位电容Cs组成,Cs的容量较大。如图4所示。
        主动钳位缓冲电路可以将整流桥上的电压钳位在一个适当的电压上。而且因为该缓冲电路中没有电阻,故不存在损耗。同时TVs零电压开关,也没有开关损耗,因此主动钳位缓冲电路的损耗比RC吸收电路小的多。但该方法需要增加一套控制电路和一个有源器件TVs,增加了系统的复杂性,而降低了可靠性。
        (3)串饱和电感(尖峰抑制器)
        串联饱和电感(尖峰抑制器)是解决二极管反向恢复问题的另一种常用方法,如图5所示。
        在正常流通时,抑制噪声的磁芯饱和,具有很低的电感,几乎不存储能量。而在电流减少并试图过零时,矩形磁滞回线的磁芯退出饱和,磁芯表现出很大电感。这很大的电感阻止了电流相反方向变化,抑制了反向电流,也就消除了反向电流引起的尖峰。通常采用矩形磁滞回线材料的尖峰抑制器实现尖峰抑制。
当二极管导通时,流过电流Io(图6(a)中“I”),尖峰抑制器饱和(图6(b)中“I”),磁导率为空气磁导率μo,尖峰抑制器等效电感很小,相当于导线电感。
        当二极管关断时,其正向电流由Io减少到零(图(a)中“II”)时,磁芯沿着磁化曲线“II”去磁,直到纵坐标上Br值。磁芯仍呈现低阻抗。由于二极管存在存储电荷仍然处于导通状态,而电路中存在反向电压,试图流过反向电流。如果没有尖峰抑制器,在反向电压的作用下,流过很大的反向恢复电流(图(a)中虚线所示),此大电流在寄生电感中存储能量,然后进入反向恢复时间trr,二极管反向电流下降。此反向恢复电流下降时造成很大的电压尖峰和电路噪声。当串入尖峰抑制器时,二极管在反向电压作用下开始试图流过反向电流时,尖峰抑制器退出饱和,呈现很大的阻抗,只有极小的反向电流(图(a)中过零阴影部分“III”)使磁芯沿磁化曲线“III”段去磁,这里磁导率非常高,视在电感很大,有效地阻止了高di/dt的反向恢复电流,使硬恢复变成软恢复,使得噪声大大减少。磁化能量绝大部分变成了磁滞损耗和涡流损耗。
        如果在二极管反向恢复时间内,磁芯的伏秒足够大,即二极管反向阻断(图(a)中“IV”)前没有反向饱和(图(b)中“IV”点),二极管完全恢复,则噪声基本上可以消除。
当二极管再次导通(图(a)中“V”)时,磁芯仍处于高阻抗,减少二极管正向电流上升率。在大功率二极管中,有利于改善二极管的正向恢复特性。磁芯被正向电流经“V”向饱和磁化。以后重复“I”~“V”的过程。从工作原理可以看到,磁珠具有优良的抑制噪声性能。要抑制电路中的噪声必须满足下式:
 
3 结束语
        以上方案在抑制电压尖峰的同时,减小了缓冲电路的损耗,但增加了磁性元件的数量。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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