高频整流电路中的新型电压毛刺无损吸收电路

高频整流电路中的新型电压毛刺无损吸收电路

0    引言

    电压毛刺是高频变换器研制和生产过程中的棘手问题，处理得不好会带来许多的问题，诸如：功率管的耐压必须提高，而且耐压越高，其通态电压越大，功耗越大，这不仅使产品效率降低，而且使电路可靠性降低；另外，高频杂音的增加，对环境造成污染；为了达到指标，必须进一步采取措施，结果不仅使产品体积增大，而且使成本增加。解决办法通常是：增加主变压器中各线圈的耦合程度，以减少漏感（例如双线并绕等）；选用结电容小，恢复时间短的优质开关管；增加吸收电路，最常用的是RC吸收电路，这种电路虽结构简单，但是有损的，而且变换器功率越大，需要的C越大，使R上的功耗也越大，导致R的体积很大，其结果是产品中常常装有体积大的电阻电容，使运行环境恶化，整机效率降低。显然这些解决办法不理想，本文将介绍两种无损电压毛刺回收电路。

1    常规RC吸收电路的功耗

    RC吸收电路如图1所示，设主变压器一次侧为半桥或全桥电路，二次侧为极性交变的脉宽调制方波，并且带有毛刺，如图2所示。这样在RC串联电路中就有充放电过程，在R上就会有功耗。为分析方便，先不考虑电压毛刺，u_AC的电压波形为极性交变的方波。

图1    高频整流的RC吸收电路

图2    高频调制方波

    设某一时刻t=0时u_AC的极性为上正下负，大小为E_o，C上的电压为E_o，极性上负下正，等效电路如图3所示。由电路方程可得

    E_o=idt－E_o＋iR

图3    等效电路

    由初始条件t=0时，i=2E_o/R，解得i=2E_oe^－t/RC/R。

    电阻R上的消耗功率W_R=i²Rdt=2CE_o²

    即C上的电压从－E_o→＋E_o变化过程中，R上的功耗为2CE_o²。

    充电过程结束最终C上的电压为E_o，极性反转。一个周期内u_AC翻转两次，R上的总功耗为4CE_o²。例如：一个输出为48V的整流器，E_o通常约为150V，频率f取50kHz，电容C取1nF，则R上的功耗W_R=4CE_o²×f=5W。考虑毛刺的因素实际值远大于此值。显然，对于大功率高频率变换器，R上的功耗是相当大的。

2    主变压器二次为桥式整流电路的电压毛刺无损吸收电路

    二次为桥式整流电路如图4所示。图中D₁，D₂，D₃，D₄为主整流管；D₁₁及D₁₂为毛刺吸收电路专用二极管。L_o与C_o为主整流电路中的电感和电容；C为毛刺能量储存电容。L，S，D组成毛刺能量转换释放电路。主变压器中绕组CD和脉冲转换电路一起形成S的开关控制脉冲u_gs，与绕组AB形成固定的相位关系。绕组AB的电压u_AB波形与S上的驱动脉冲波形示于图5。

图4    全桥整流电路与电压尖峰吸收电路

(a)    u_AB波形

(b)    u_gs波形

图5    u_AB与u_gs的相位关系

    其吸收原理如下所述。

    1）t₁－t₂时段    u_AB处于高毛刺阶段，毛刺最大值比正常值U_o高出ΔU，这时由D₁，D₂，D₁₁，D₁₂形成全桥整流电路，对C充电，具体讲是D₁和D₁₂导通，u_AB的毛刺部分将被C所吸收，使u_c=U_o＋ΔU。显然，C越大，ΔU越小；毛刺越高，ΔU越大。

    2）t₂－t₃时段    u_AB=U_o，D₁₂反偏截止。D₁与D₄导通，忽略D₁与D₄上的压降，U_EF=U_o。以_E为电压参考点，U_F比U_E电位低U_o，记作－U_o；由于U_C=U_EG=U_o＋ΔU_o，则U_G比U_E低U_o＋ΔU，记作－（U_o＋ΔU）；这样U_FG=U_F－U_G=ΔU。

    由图5（b）可以看出，在t₁－t₃时间段开关管S被触发导通，U_FG将使L中的电流逐步上升，使C上高于U_o部分的电压ΔU的能量逐渐转移到L上，当t₃时刻u_AB消失，u_gs同时也消失，S截止。L上的能量将通过D向输出电容C_o释放，形成电压毛刺的无损吸收。

    3）t₄－t₅时段    绕组AB之间的电压反向，此时D₂与D₁₁导通，对C充电，之后的工作过程同t₁－t₂时间段。

    4）t₅－t₆时段    工作过程同t₂－t₃时间段。

    t₇时刻开始，电路将重复以上过程。

3    主变压器二次为双半波整流电路的电压毛刺无损吸收电路

    二次为双半波整流电路如图6所示。为分析方便，仍忽略D₁，D₂，D₃的压降。显然u_AB的波形、S的驱动脉冲波形与图5完全一致。其工作过程与桥式整流电路相似，在此不再赘述。

图6    双半波整流电路与电压尖峰吸收电路

4    关于LC选取的原则

    为使上述电压毛刺无损吸收电路正常工作，在设计LC时注意下述2个问题：

    1）过大的C将会使整流二极管开机瞬间冲击电流增加，过小的C将导致吸收毛刺过程中过大的电压增量ΔU，因此C要选择适当；

    2）过大的L将使C中的ΔU能量无法及时转移到L中，因为ΔU=Ldi/dt，L过大，将使其中的电流增长速度减慢；L过小，则di/dt过大将使承受的应力加大只能选取大电流的开关管，同时对向输出端释放电感能量的二极管（图4中的D，图6中的D₄）也提高了容量要求，因此，L的选择也要适当。