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高頻整流電路中的新型電壓毛刺無損吸收電路

發(fā)布時(shí)間:2011-10-17

中心議題:

  • 常規(guī)RC吸收電路的功耗
  • 高頻整流電路中的新型電壓毛刺無損吸收電路設(shè)計(jì)
  • LC選取的原則

解決方案:

  • 變壓器二次為橋式整流電路的電壓毛刺無損吸收電路
  • 主變壓器二次為雙半波整流電路的電壓毛刺無損吸收電路


電壓毛刺是高頻變換器研制和生產(chǎn)過程中的棘手問題,處理得不好會(huì)帶來許多的問題,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程,在R上就會(huì)有功耗。為分析方便,先不考慮電壓毛刺,uAC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)uAC的極性為上正下負(fù),大小為Eo,C上的電壓為Eo,極性上負(fù)下正,等效電路如圖3所示。由電路方程可得
Eo= idt-Eo+iR


圖3 等效電路

由初始條件t=0時(shí),i=2Eo/R,解得i=2Eoe-t/RC/R。電阻R上的消耗功率WR= i2Rdt=2CEo2,即C上的電壓從-Eo→+Eo變化過程中,R上的功耗為2CEo2。

充電過程結(jié)束最終C上的電壓為Eo,極性反轉(zhuǎn)。一個(gè)周期內(nèi)uAC翻轉(zhuǎn)兩次,R上的總功耗為4CEo2。例如:一個(gè)輸出為48V的整流器,Eo通常約為150V,頻率f取50kHz,電容C取1nF,則R上的功耗WR=4CEo2×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。
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2 主變壓器二次為橋式整流電路的電壓毛刺無損吸收電路

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。Lo與Co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的開關(guān)控制脈沖ugs,與繞組AB形成固定的相位關(guān)系。繞組AB的電壓uAB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) uAB波形                                    (b) ugs波形
圖5 uAB與ugs的相位關(guān)系

其吸收原理如下所述。
1)t1-t2時(shí)段    uAB處于高毛刺階段,毛刺最大值比正常值Uo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,uAB的毛刺部分將被C所吸收,使uc=Uo+ΔU。顯然,C越大,ΔU越小;毛刺越高,ΔU越大。

2)t2-t3時(shí)段    uAB="Uo",D12反偏截止。D1與D4導(dǎo)通,忽略D1與D4上的壓降,UEF=Uo。以E為電壓參考點(diǎn),UF比UE電位低Uo,記作-Uo;由于UC=UEG=Uo+ΔUo,則UG比UE低Uo+ΔU,記作-(Uo+ΔU);這樣UFG=UF-UG=ΔU。

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

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,之后的工作過程同t1-t2時(shí)間段。

4)t5-t6時(shí)段    工作過程同t2-t3時(shí)間段。

t7時(shí)刻開始,電路將重復(fù)以上過程。

3 主變壓器二次為雙半波整流電路的電壓毛刺無損吸收電路

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uAB的波形、S的驅(qū)動(dòng)脈沖波形與圖5完全一致。其工作過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)問題:

1)過大的C將會(huì)使整流二極管開機(jī)瞬間沖擊電流增加,過小的C將導(dǎo)致吸收毛刺過程中過大的電壓增量ΔU,因此C要選擇適當(dāng);
2)過大的L將使C中的ΔU能量無法及時(shí)轉(zhuǎn)移到L中,因?yàn)?Delta;U=Ldi/dt,L過大,將使其中的電流增長(zhǎng)速度減慢;L過小,則di/dt過大將使承受的應(yīng)力加大只能選取大電流的開關(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)。

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