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行業新聞
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2021-06
03
詳細盤點開關電源中的緩沖吸收電路

基本拓撲電路上一般沒有吸收緩沖電路,實際電路上一般有吸收緩沖電路,吸收與緩沖是工程需要,不是拓撲需要。

緩沖電路是控制開關器件快速上升和下降引起的瞬態尖峰的重要辦法。它們通常主要是由一些無源器件組成的網絡,用來控制電路中無功元件產生的振蕩。合理的緩沖電路,可以提高電路的可靠性和效率,降低EMI,并實現更高的工作頻率。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至能夠回收的地方。

而來自磁性器件和長PCB走線或環路中的電感,以及半導體結電容和布線耦合,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的影響,所以最重要的原則是盡量減少這些寄生參數。至于怎么樣才能做到這一點,將在后面的章節中更詳細地討論。但在這里,我們是假設在PCB布局已經很好地完成了接下來談論如何設計緩沖器大多數緩沖器都是針對特定的問題去設計的但是還是做一些分類可以幫助理解。第一個分類標準是將它們分成無源(只是電阻、電容、電感和二極管的組合)和有源(使用開關管)緩沖吸收電路,但另一個分類標準是看緩沖器是屬于能量耗散還是非耗散類型,第三個分類標準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,其結果可能就是產生振蕩。

 

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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
  • 使功率器件遠離危險工作區,從而提高可靠性
  • 降低(開關)器件損耗,或者實現某種程度的關軟開
  • 降低di/dt和dv/dt,降低振鈴,改善EMI品質
  • 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:拓撲電流、二極管反向恢復電流、不恰當的諧振電流等。

 

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電流等
  • 如果可能的話,將上述電感能量轉移到別處。
  • 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措施

 

 

 

拓撲吸

 

 

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將開關管Q1、拓撲續流二極管D1和一個無損的拓撲電容C2組成一個在布線上盡可能簡短的吸收回路。

 

拓撲吸收的特點:

  • 同時將Q1、D1的電壓尖峰、振鈴減少到最低程度。
  • 拓撲吸收是無損吸收,效率較高。
  • 吸收電容C2可以在大范圍內取值。
  • 拓撲吸收是硬開關,因為拓撲是硬開關。

 

體二極管反向恢復吸收開關器件的體二極管的反向恢復特性,在關斷電壓的上升沿發揮作用,有降低電壓尖峰的吸收效應。

 

 

RC吸收

 

 

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  • RC吸收的本質是阻尼吸收。
  • 有人認為R 是限流作用,C是吸收。實際情況剛好相反。
  • 電阻R 的最重要作用是產生阻尼,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。
  • 對應一個特定的吸收環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吸收設計

 

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  • RC吸收的設計方法的難點在于:吸收與太多因素有關,比如漏感、繞組結構、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、二極管反向恢復特性等等。而且其中某些因素是很難獲得準確的設計參數的。
  • 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吸收參數就可能有很大差距。很難推導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為吸收回路拓撲反射電壓。
  • 工程上一般應該在通過計算或者仿真獲得初步參數后,還必須根據實際布線在板調試,才能獲得最終設計參數。

 

 

 

RCD吸收

 

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特點:

  • RCD吸收不是阻尼吸收,而是靠非線性開關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。其電阻的最小值應該滿足開關管的電流限制,最大值應該滿足PWM逆程RC放電周期需要,在此范圍內取值對吸收效果影響甚微。
  • RCD吸收會在被保護的開關器件上實現某種程度的軟關斷,這是因為關斷瞬間開關器件上的電壓即吸收電容C上的電壓等于0,關斷動作會在C 上形成一個充電過程,延緩電壓恢復,降低dv/dt,實現軟關斷。

 

不適應性:

  • RCD吸收一般不適合反激拓撲的吸收,這是因為RCD吸收可能與反激拓撲相沖突。
  • RCD吸收一般不適合對二極管反壓尖峰的吸收,因為RCD吸收動作有可能加劇二極管反向恢復電流。

 

鉗位吸收RCD鉗位:

  • 盡管RCD鉗位與RCD吸收電路可以完全相同,但元件參數和工況完全不同。RCD吸收RC時間常數遠小于PWM周期,而RCD鉗位的RC時間常數遠大于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不小于拓撲反射電壓,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

 

 

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無損吸收的條件:

  • 吸收網絡不得使用電阻。
  • 不得形成LD電流回路。
  • 吸收回路不得成為拓撲電流路徑。
  • 吸收能量必須轉移到輸入側或者輸出側。
  • 盡量減少吸收回路二極管反向恢復電流的影響。

 

無損吸收是強力吸收,不僅能夠吸收電壓尖峰,甚至能夠吸收拓撲反射電壓,比如:

 

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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、設計不恰當的吸收電容、設計不恰當的諧振電容、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:

 

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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。
  • 緩沖電路延緩了導通電流沖擊,可實現某種程度的軟開通(ZIS)。
  • 變壓器漏感也可以充當緩沖電感。

 

 

 

LD緩沖

 

 

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特點:

  • 可不需要吸收電路配合。
  • 緩沖釋能二極管與拓撲續流二極管電流應力相當甚至更大。
  • 緩沖釋能二極管的損耗可以簡單理解為開關管減少的損耗。
  • 適當的緩沖電感(L3)參數可以大幅度減少開關管損耗,實現高效率。

 

 

 

LR緩沖

 

 

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特點:

  • 需要吸收電路配合以轉移電感剩余能量。
  • 緩沖釋能電阻R的損耗較大,可簡單理解為是從開關管轉移出來的損耗。
  • R、L參數必須實現最佳配合,參數設計調試比較難以掌握。
  • 只要參數適當仍然能夠實現高效率。

 

 

 

飽和電感緩沖

 

 

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  • 飽和電感的電氣性能表現為對di/dt敏感。
  • 在一個沖擊電流的上升沿,開始呈現較大的阻抗,隨著電流的升高逐漸進入飽和,從而延緩和削弱了沖擊電流尖峰,即實現軟開通。
  • 在電流達到一定程度后,飽和電感因為飽和而呈現很低的阻抗,這有利于高效率地傳輸功率。
  • 在電流關斷時,電感逐漸退出飽和狀態,一方面,由于之前的飽和狀態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可以減緩電壓的上升速度,有利于實現軟關斷。
  • 以Ls2為例,5u表示磁路截面積5mm2,大致相當于1顆PC40材質4*4*2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該具有最有利的散熱特性和結構,即:更高的居里溫度、更高的導熱系數、更大的散熱面積、更短的熱傳導路徑。

 

  • 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,較低導磁率的磁芯配合較多匝數、與較高導磁率的磁芯配合較少匝數的飽和電感初始電感相當,緩沖效果大致相當。這意味著直接采用1 匝的穿心電感總是可能的,因為任何多匝的電感總可以找到更高導磁率的磁芯配合1 匝等效之。這還意味著磁芯最高導磁率受到限制,如果一個適合的磁芯配合1 匝的飽和電感,將沒有使用更高導磁率的磁芯配合更少匝數的可能。

 

  • 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。既然如此,磁芯可以按照最有利于散熱的磁路進行設計。比如細長的管狀磁芯比環狀磁芯、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,單一材質的磁芯并不能達到工程上需要的緩沖效果,采用多種材質的磁芯相互配合或許才能能夠滿足工程需要。

 

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無源無損緩沖吸收

 

 

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  • 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過無損吸收的方式處理的,即構成無源無損緩沖吸收電路,實際上這也是無源軟開關電路。
  • 緩沖電感的存在延遲和削弱的開通沖擊電流,實現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斷電壓的dv/dt,實現了一定程度的軟關斷。
  • 實現無源軟開關的條件與無損吸收大致相同。并不是所有拓撲都能夠搭建出一個無源軟開關電路。因此除了經典的電路外,很多無源軟開關電路都是被專利的熱門。
  • 無源無損軟開關電路效率明顯高于其他緩沖吸收方式,與有源軟開關電路效率相差無幾。因此只要能夠實現無源軟開關的電路,可不必采用有源軟開關。

 

 

 

吸收緩沖電路性能對

 

 

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濾波緩

 

 

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  • 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上產生較大損耗,這不僅降低效率,而且由于電解電容發熱直接導致的可靠性和壽命問題。
  • 一般方法是在電解電容上并聯高頻無損電容,而事實上,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電源常用頻率范圍內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,電解位于直流(工頻)側,各自承擔對應的濾波任務。
  • 設計原則:Π形濾波網絡的諧振頻率Fn應該錯開PWM頻率Fp??扇p=(1.5~2)Fn 。
  • 這一設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力的電路結構。

 

 

 

振鈴

 

 

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振鈴的危害:

  • MEI測試在振鈴頻率容易超標。
  • 振鈴將引起振鈴回路的損耗,造成器件發熱和降低效率。
  • 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:

  • 振鈴多半是由結電容和某個等效電感的諧振產生的。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)回路發生。比如:副邊二極管結電容與副邊漏感的諧振、雜散電感與器件結電容的諧振、吸收回路電感與器件結電容的諧振等等。

 

振鈴的抑制:

  • 磁珠吸收,只要磁珠在振鈴頻率表現為電阻,即可大幅度吸收振鈴能量,但是不恰當的磁珠也可能增加振鈴。
  • RC 吸收,其中C可與振鈴(結)電容大致相當,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計不當也可能產生諧振,也需要調整諧振頻率或者其他措施予以規避。

 

 

 

吸收緩沖能量再利用

 

 

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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 電位的正負電流通道,就能夠獲得正負電壓輸出。其設計要點為:RCD吸收電路參數應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。

 

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