無(wú)需緩沖器的反激式轉(zhuǎn)換器技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2021-03-11 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】所有PWM轉(zhuǎn)換器都有寄生元件,可導(dǎo)致必須適當(dāng)抑制的振鈴波形。不這樣做,半導(dǎo)體元件就可能失效,噪聲水平將比要求的更高。本文將介紹用于備受青睞的反激式轉(zhuǎn)換器的最常用的RCD箝位電路,及其設(shè)計(jì)公式。
沒(méi)有緩沖器,反激式變壓器振鈴的漏感會(huì)隨電路中的雜散電容產(chǎn)生,生產(chǎn)大幅度高頻波形,如圖所示1。
許多應(yīng)用筆記和設(shè)計(jì)沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題,忽略了振鈴波形和轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。有兩個(gè)問(wèn)題:首先,在FET漏極有過(guò)大的電壓,可能導(dǎo)致雪崩擊穿并最終導(dǎo)致器件故障。其次,振鈴波形將成為輻射和傳導(dǎo)到整個(gè)電源、負(fù)載和電子系統(tǒng),引起噪聲問(wèn)題甚至邏輯錯(cuò)誤。振鈴頻率還將以輻射和傳導(dǎo)EMI是形式表現(xiàn)為EMI頻譜的峰值。
在大多數(shù)設(shè)計(jì)中,這是不可接受的,必須增加電路元件抑制振鈴(使用一個(gè)RC緩沖器),或者箝制電壓(用RCD箝位),或者兩個(gè)都用。這些網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是測(cè)量和分析的結(jié)合,可以確保耐用和可靠的效果。
反激式轉(zhuǎn)換器的初級(jí)RCD箝位
圖2給出了一個(gè)RCD箝位電路,當(dāng)一個(gè)RC緩沖器不足以有效防止開(kāi)關(guān)過(guò)壓時(shí),它可用來(lái)限制FET漏極的峰值電壓。一旦漏極電壓超過(guò)箝位電容器電壓,RCD箝位即靠吸收漏感電流工作。采用一個(gè)比較大的電容器可保持一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的電壓恒定。
RCD箝位的電阻器總會(huì)浪費(fèi)功率。即使在轉(zhuǎn)換器上有很小的負(fù)載,電容器都將進(jìn)行充電高達(dá)從轉(zhuǎn)換器次級(jí)反射的電壓,即vf。由于負(fù)載增加,更多能量將流入電容器,而電壓將提高更多,即vx,它在理想的方波反激電壓之上。該波形定義了這些電壓,如圖2所示。
設(shè)計(jì)步驟1——測(cè)量漏感
重要的是測(cè)量反激式變壓器的漏感,然后再設(shè)計(jì)緩沖器。不要不只猜測(cè)電感值,而是要明白磁性元件制造商的最差規(guī)格對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)經(jīng)常不夠精確。另外,漏感是頻率相關(guān)的,必須在適當(dāng)?shù)念l率值進(jìn)行測(cè)量。
設(shè)計(jì)步驟2——確定峰值箝位電壓
現(xiàn)在必須決定功率MOSFET可以容許多少電壓,并計(jì)算在箝位電平條件下箝位將耗散的功率量。與漏感L相關(guān)的功率,及關(guān)斷時(shí)的當(dāng)前最差電流Ip可以表示為:
公式1
對(duì)RCD緩沖器的分析出現(xiàn)在論文和大量應(yīng)用筆記當(dāng)中。假設(shè)沒(méi)有雜散電容要充電,所有泄漏能量都被傳導(dǎo)到來(lái)自漏感的緩沖電容器。假定電容器足夠大,其邏輯值在在一次開(kāi)關(guān)周期期間沒(méi)有顯著變化。
利用這些假設(shè),RCD箝位的功耗可以表示為存儲(chǔ)在電感器中的能量,具體如下:
公式2
換句話說(shuō),我們讓開(kāi)關(guān)上的箝位電壓升得越高,總功耗越低。但是當(dāng)然,我們必須對(duì)此進(jìn)行平衡以防止總電壓出現(xiàn)在功率FET兩端,因此我們不能任意降低功耗。
一個(gè)典型設(shè)計(jì)可用于電壓vx等于1/2反激電壓。在這種情況下,功耗等于存儲(chǔ)在漏感中能量的三倍,它不是一個(gè)立即可見(jiàn)的結(jié)果。然而,這是一個(gè)保守的估計(jì)。它沒(méi)有解釋電感器的有損放電,也沒(méi)有解釋雜散電容。實(shí)際上,由于這些結(jié)果,該設(shè)計(jì)的箝位損失將比預(yù)期的更少。
高壓離線設(shè)計(jì)這些經(jīng)常限制使用一個(gè)最高電壓為650或700V的FET,電壓vx將將很難限制所設(shè)定的最大輸入電壓、最大電流和FET擊穿電壓。不要超過(guò)FET規(guī)定的Vds,意識(shí)到擊穿可能隨溫度變化。一些設(shè)計(jì)人員依賴于FET的雪崩能力,讓它有規(guī)律地超過(guò)擊穿電壓。這不是為可靠的電源設(shè)計(jì)推薦的。
設(shè)計(jì)步驟3——選擇箝位電阻器
緩沖器的電容器需要足夠大,以保持一個(gè)相對(duì)恒壓,同時(shí)吸收泄漏能量。除了這一考慮,其邏輯值要求不高,當(dāng)緩沖器正常工作時(shí)不會(huì)影響峰值電壓。
電阻器在確定峰值電壓vx方面是至關(guān)重要的元件,因此需要根據(jù)以下公式選擇:
公式3
一個(gè)大數(shù)值電阻器將減緩箝位電容器的放電,有助于電壓提升到更高值。一個(gè)小數(shù)值電阻器將導(dǎo)致較低的箝位電壓,而功耗將增加。
設(shè)計(jì)步驟4——計(jì)算功率損耗
現(xiàn)在緩沖器設(shè)計(jì)已經(jīng)完成,但是我們經(jīng)常還需要知道上述公式中,除了最差條件電流Ip,電流的功耗是多少。使用以下公式計(jì)算某一給定峰值電流I和漏感L的已知緩沖器的電壓上升。
vx是電壓上升值,高于反激電壓,可以表示為:
公式4
功耗可以表示為:
公式5
設(shè)計(jì)步驟5——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是必不可少的,因?yàn)閷⒊霈F(xiàn)沒(méi)有計(jì)入公式的結(jié)果,你的電路將出現(xiàn)非理想的元件。圖3所示為箝制FET漏極電壓峰值電路的效益。
圖3. 帶有初級(jí)RCD箝位的反激式轉(zhuǎn)換器漏極電壓。
該數(shù)值還給出了一個(gè)RCD箝位限制。在箝制周期結(jié)束之后,電路恢復(fù)振鈴。采用理想的元件,這將不會(huì)發(fā)生。不過(guò),RCD箝位的二極管有一個(gè)有限的反向恢復(fù)時(shí)間,有助于漏感電流流入二極管的相反方向,可導(dǎo)致振鈴。RCD緩沖器各種類型二極管選擇至關(guān)重要。它必須盡可能的快,具有合適的額定電壓。
這個(gè)振鈴的嚴(yán)重程度將取決于RCD二極管兩端反向施加的電壓。你允許的箝位電壓爬得越高,功耗就越低,電壓越高且dv/dt施加在二極管上,振鈴將增加。
通過(guò)采用RC緩沖器隨后的振鈴可以再一次被抑制。
總結(jié)
RCD箝位電路對(duì)所有反激式轉(zhuǎn)換器非常有用,可以減少功率FET上的壓力。要確保箝位的目的是將最差工作條件下(高電壓和最大電流極限)的電壓限制低于元件的額定電壓。本文中的設(shè)計(jì)公式排除了來(lái)自箝位設(shè)計(jì)的猜測(cè)。
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