高頻整流電路中的新型電壓毛刺無(wú)損吸收電路

0    引言

    電壓毛刺是高頻變換器研制和生產(chǎn)過(guò)程中的棘手問(wèn)題，處理得不好會(huì)帶來(lái)許多的問(wèn)題，諸如：功率管的耐壓必須提高，而且耐壓越高，其通態(tài)電壓越大，功耗越大，這不僅使產(chǎn)品效率降低，而且使電路可靠性降低；另外，高頻雜音的增加，對(duì)環(huán)境造成污染；為了達(dá)到指標(biāo)，必須進(jìn)一步采取措施，結(jié)果不僅使產(chǎn)品體積增大，而且使成本增加。解決辦法通常是：增加主變壓器中各線圈的耦合程度，以減少漏感（例如雙線并繞等）；選用結(jié)電容小，恢復(fù)時(shí)間短的優(yōu)質(zhì)開(kāi)關(guān)管；增加吸收電路，最常用的是RC吸收電路，這種電路雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是有損的，而且變換器功率越大，需要的C越大，使R上的功耗也越大，導(dǎo)致R的體積很大，其結(jié)果是產(chǎn)品中常常裝有體積大的電阻電容，使運(yùn)行環(huán)境惡化，整機(jī)效率降低。顯然這些解決辦法不理想，本文將介紹兩種無(wú)損電壓毛刺回收電路。

1    常規(guī)RC吸收電路的功耗

    RC吸收電路如圖1所示，設(shè)主變壓器一次側(cè)為半橋或全橋電路，二次側(cè)為極性交變的脈寬調(diào)制方波，并且?guī)в忻蹋鐖D2所示。這樣在RC串聯(lián)電路中就有充放電過(guò)程，在R上就會(huì)有功耗。為分析方便，先不考慮電壓毛刺，u_AC的電壓波形為極性交變的方波。

圖1    高頻整流的RC吸收電路

圖2    高頻調(diào)制方波

    設(shè)某一時(shí)刻t=0時(shí)u_AC的極性為上正下負(fù)，大小為E_o，C上的電壓為E_o，極性上負(fù)下正，等效電路如圖3所示。由電路方程可得

    E_o=idt－E_o＋iR

圖3    等效電路

    由初始條件t=0時(shí)，i=2E_o/R，解得i=2E_oe^－t/RC/R。

    電阻R上的消耗功率W_R=i²Rdt=2CE_o²

    即C上的電壓從－E_o→＋E_o變化過(guò)程中，R上的功耗為2CE_o²。

    充電過(guò)程結(jié)束最終C上的電壓為E_o，極性反轉(zhuǎn)。一個(gè)周期內(nèi)u_AC翻轉(zhuǎn)兩次，R上的總功耗為4CE_o²。例如：一個(gè)輸出為48V的整流器，E_o通常約為150V，頻率f取50kHz，電容C取1nF，則R上的功耗W_R=4CE_o²×f=5W?？紤]毛刺的因素實(shí)際值遠(yuǎn)大于此值。顯然，對(duì)于大功率高頻率變換器，R上的功耗是相當(dāng)大的。

2    主變壓器二次為橋式整流電路的電壓毛刺無(wú)損吸收電路

    二次為橋式整流電路如圖4所示。圖中D₁，D₂，D₃，D₄為主整流管；D₁₁及D₁₂為毛刺吸收電路專用二極管。L_o與C_o為主整流電路中的電感和電容；C為毛刺能量?jī)?chǔ)存電容。L，S，D組成毛刺能量轉(zhuǎn)換釋放電路。主變壓器中繞組CD和脈沖轉(zhuǎn)換電路一起形成S的開(kāi)關(guān)控制脈沖u_gs，與繞組AB形成固定的相位關(guān)系。繞組AB的電壓u_AB波形與S上的驅(qū)動(dòng)脈沖波形示于圖5。

圖4    全橋整流電路與電壓尖峰吸收電路 

(a)    u_AB波形

(b)    u_gs波形

圖5    u_AB與u_gs的相位關(guān)系

    其吸收原理如下所述。

    1）t₁－t₂時(shí)段    u_AB處于高毛刺階段，毛刺最大值比正常值U_o高出ΔU，這時(shí)由D₁，D₂，D₁₁，D₁₂形成全橋整流電路，對(duì)C充電，具體講是D₁和D₁₂導(dǎo)通，u_AB的毛刺部分將被C所吸收，使u_c=U_o＋ΔU。顯然，C越大，ΔU越??；毛刺越高，ΔU越大。

    2）t₂－t₃時(shí)段    u_AB=U_o，D₁₂反偏截止。D₁與D₄導(dǎo)通，忽略D₁與D₄上的壓降，U_EF=U_o。以_E為電壓參考點(diǎn)，U_F比U_E電位低U_o，記作－U_o；由于U_C=U_EG=U_o＋ΔU_o，則U_G比U_E低U_o＋ΔU，記作－（U_o＋ΔU）；這樣U_FG=U_F－U_G=ΔU。

    由圖5（b）可以看出，在t₁－t₃時(shí)間段開(kāi)關(guān)管S被觸發(fā)導(dǎo)通，U_FG將使L中的電流逐步上升，使C上高于U_o部分的電壓ΔU的能量逐漸轉(zhuǎn)移到L上，當(dāng)t₃時(shí)刻u_AB消失，u_gs同時(shí)也消失，S截止。L上的能量將通過(guò)D向輸出電容C_o釋放，形成電壓毛刺的無(wú)損吸收。

    3）t₄－t₅時(shí)段    繞組AB之間的電壓反向，此時(shí)D₂與D₁₁導(dǎo)通，對(duì)C充電，之后的工作過(guò)程同t₁－t₂時(shí)間段。

    4）t₅－t₆時(shí)段    工作過(guò)程同t₂－t₃時(shí)間段。

    t₇時(shí)刻開(kāi)始，電路將重復(fù)以上過(guò)程。

3    主變壓器二次為雙半波整流電路的電壓毛刺無(wú)損吸收電路

    二次為雙半波整流電路如圖6所示。為分析方便，仍忽略D₁，D₂，D₃的壓降。顯然u_AB的波形、S的驅(qū)動(dòng)脈沖波形與圖5完全一致。其工作過(guò)程與橋式整流電路相似，在此不再贅述。

圖6    雙半波整流電路與電壓尖峰吸收電路

4    關(guān)于LC選取的原則

    為使上述電壓毛刺無(wú)損吸收電路正常工作，在設(shè)計(jì)LC時(shí)注意下述2個(gè)問(wèn)題：

    1）過(guò)大的C將會(huì)使整流二極管開(kāi)機(jī)瞬間沖擊電流增加，過(guò)小的C將導(dǎo)致吸收毛刺過(guò)程中過(guò)大的電壓增量ΔU，因此C要選擇適當(dāng)；

    2）過(guò)大的L將使C中的ΔU能量無(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)移到L中，因?yàn)?Delta;U=Ldi/dt，L過(guò)大，將使其中的電流增長(zhǎng)速度減慢；L過(guò)小，則di/dt過(guò)大將使承受的應(yīng)力加大只能選取大電流的開(kāi)關(guān)管，同時(shí)對(duì)向輸出端釋放電感能量的二極管（圖4中的D，圖6中的D₄）也提高了容量要求，因此，L的選擇也要適當(dāng)。