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开关电源如何实现无源软开关

时间:2024-05-31 17:50:35来源:21ic电子网

导语:​饱和电感是功率器件,通过进入和退出饱和过程的磁滞损耗(而不是涡流损耗或者铜损)吸收电流尖峰能量,主要热功率来自于磁芯。

  饱和电感特性●热特性

  饱和电感是功率器件,通过进入和退出饱和过程的磁滞损耗(而不是涡流损耗或者铜损)吸收电流尖峰能量,主要热功率来自于磁芯。

  这一方面要求磁芯应该是高频材料,另一方面要求磁芯温度在任何情况下不得超过居里温度。这意味着饱和电感的磁芯应该具有最有利的散热特性和结构,即:更高的居里温度、更高的导热系数、更大的散热面积、更短的热传导路径。

  缓冲的基本方法:

  ●在冲击电流尖峰的路径上串入某种类型的电感,可以是以下类型:缓冲的特性:

  ●由于缓冲电感的串入会显著增加吸收的工作量,因此缓冲电路一般需要与吸收电路配合使用。

  ●缓冲电路延缓了导通电流冲击,可实现某种程度的软开通(ZIS)。

  ●变压器漏感也可以充当缓冲电感。LD 缓冲特点:

  ●可不需要吸收电路配合。

  ●缓冲释能二极管与拓扑续流二极管电流应力相当甚至更大。

  ●缓冲释能二极管的损耗可以简单理解为开关管减少的损耗。

  ●适当的缓冲电感(L3)参数可以大幅度减少开关管损耗,实现高效率。LR 缓冲特点:

  ●需要吸收电路配合以转移电感剩余能量。

  ●缓冲释能电阻R的损耗较大,可简单理解为是从开关管转移出来的损耗。

  ●R、L参数必须实现最佳配合,参数设计调试比较难以掌握。

  ●只要参数适当仍然能够实现高效率。

  饱和电感缓冲

  ●饱和电感的电气性能表现为对di/dt敏感。

  ●在一个冲击电流的上升沿,开始呈现较大的阻抗,随着电流的升高逐渐进入饱和,从而延缓和削弱了冲击电流尖峰,即实现软开通。

  ●在电流达到一定程度后,饱和电感因为饱和而呈现很低的阻抗,这有利于高效率地传输功率。

  ●在电流关断时,电感逐渐退出饱和状态,一方面,由于之前的饱和状态的饱和电感量非常小,即储能和需要的释能较小。另一方面,退出时电感量的恢复可以减缓电压的上升速度,有利于实现软关断。

  ●以Ls2为例,5u表示磁路截面积5mm2,大致相当于1颗PC40材质442的小磁芯

  ●饱和特性

  显然饱和电感一般不必考虑使用气隙或者不易饱和的低导磁率材料。

  ●初始电感等效特性

  在其他条件相同情况下,较低导磁率的磁芯配合较多匝数、与较高导磁率的磁芯配合较少匝数的饱和电感初始电感相当,缓冲效果大致相当。

  这意味着直接采用1 匝的穿心电感总是可能的,因为任何多匝的电感总可以找到更高导磁率的磁芯配合1 匝等效之。这还意味着磁芯最高导磁率受到限制,如果一个适合的磁芯配合1 匝的饱和电感,将没有使用更高导磁率的磁芯配合更少匝数的可能。

  ●磁芯体积等效特性

  在其他条件相同情况下,相同体积的磁芯的饱和电感缓冲效果大致相当。既然如此,磁芯可以按照最有利于散热的磁路进行设计。比如细长的管状磁芯比环状磁芯、多个小磁芯比集中一个大磁芯、穿心电感比多匝电感显然具有更大的散热表面积。

  ●组合特性

  有时候,单一材质的磁芯并不能达到工程上需要的缓冲效果,采用多种材质的磁芯相互配合或许才能能够满足工程需要。无源无损缓冲吸收●如果缓冲电感本身是无损的(非饱和电感),而其电感储能又是经过无损吸收的方式处理的,即构成无源无损缓冲吸收电路,实际上这也是无源软开关电路。

  ●缓冲电感的存在延迟和削弱的开通冲击电流,实现了一定程度的软开通。

  ●无损吸收电路的存在延迟和降低了关断电压的dv/dt,实现了一定程度的软关断。

  ●实现无源软开关的条件与无损吸收大致相同。并不是所有拓扑都能够搭建出一个无源软开关电路。因此除了经典的电路外,很多无源软开关电路都是被专利的热门。

  ●无源无损软开关电路效率明显高于其他缓冲吸收方式,与有源软开关电路效率相差无几。因此只要能够实现无源软开关的电路,可不必采用有源软开关。滤波缓冲●电路中的电解电容一般具有较大的ESR(典型值是百毫欧姆数量级),这引起两方面问题:一是滤波效果大打折扣;二是纹波电流在ESR上产生较大损耗,这不仅降低效率,而且由于电解电容发热直接导致的可靠性和寿命问题。

  ●一般方法是在电解电容上并联高频无损电容,而事实上,这一方法并不能使上述问题获得根本的改变,这是由于高频无损电容在开关电源常用频率范围内仍然存在较大的阻抗的缘故。

  ●提出的办法是:用电感将电解和CBB分开,CBB位于高频纹波电流侧,电解位于直流(工频)侧,各自承担对应的滤波任务。

  ●设计原则:Π形滤波网络的谐振频率Fn应该错开PWM频率Fp。可取Fp=(1.5~2)Fn 。

  ●这一设计思想可以延伸到直流母线滤波的双向缓冲,或者其他有较大滤波应力的电路结构。振铃振铃的危害:

  ●MEI测试在振铃频率容易超标。

  ●振铃将引起振铃回路的损耗,造成器件发热和降低效率。

  ●振铃电压幅度超过临界值将引起振铃电流,破环电路正常工况,效率大幅度降低。

  振铃的成因:

  ●振铃多半是由结电容和某个等效电感的谐振产生的。对于一个特定频率的振铃,总可以找到原因。电容和电感可以确定一个频率,而频率可以观察获得。电容多半是某个器件的结电容,电感则可能是漏感。

  ●振铃最容易在无损(无电阻的)回路发生。比如:副边二极管结电容与副边漏感的谐振、杂散电感与器件结电容的谐振、吸收回路电感与器件结电容的谐振等等。

  振铃的抑制:

  ●磁珠吸收,只要磁珠在振铃频率表现为电阻,即可大幅度吸收振铃能量,但是不恰当的磁珠也可能增加振铃。

  ●RC 吸收,其中C可与振铃(结)电容大致相当,R 按RC吸收原则选取。

  ●改变谐振频率,比如:只要将振铃频率降低到PWM频率相近,即可消除PWM上的振铃。

  ●特别地,输入输出滤波回路设计不当也可能产生谐振,也需要调整谐振频率或者其他措施予以规避。吸收缓冲能量再利用:RCD吸收能量回收电路●只要将吸收电路的正程和逆程回路分开,形成相对0 电位的正负电流通道,就能够获得正负电压输出。其设计要点为:

  ●RCD吸收电路参数应主要满足主电路吸收需要,不建议采用增加吸收功率的方式增加直流输出功率。?输出电流由L1、R1控制。逆程回路的阻抗同样应满足吸收回路逆程时间的需要,调整L1、R1的大小可控制输出功率大小,当R1减少到0 时,该电路达到最大可能输出电流和最大输出功率。

  ●输出电压基本上可由齐纳门槛电压任意设定,需注意齐纳二极管的功率匹配。RCD钳位能量回收电路

  ●12V1KW副边全波整流原3.5WRC 吸收能量用RCD钳位吸收回收为3W24V风扇电源的电路。?RCD钳位吸收回收电路输出电压与钳位电压有关,可控制范围有限。?如果回收电源负载不能确定,需要确保在任意负载状态下吸收状态不变,不影响主电路。注意回收电路的接地,避免成为共模干扰源。?调整R1,严格控制吸收程度,确保钳位工况。

  测量纹波时候,需要注意的是:要清楚纹波的带宽上限,纹波为低频噪声,所以一般使用不超过纹波带宽上限太多的示波器。

  在测量时,要先打开示波器的带宽限制功能,把带宽限制在20MHz,

  直接用探头的屏蔽地和输出地连接,减少因地线过长产生的环路干扰。

  在探头接入点的位置并联一个较小的瓷片电容和一个小电解电容,滤除外界干扰信号防止进入示波器。

  四、纹波的抑制方法

  电源输出纹波主要来源于五个方面:低频输入纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、闭环调节控制引起的纹波噪声。

  抑制这些纹波的通常方法是:加大滤波电路中电容容量、采用LC滤波电路、采用多级滤波电路、以线性电源代替开关电源、合理布线等。但根据它的分类,有针对性的采取措施往往会取得事半功倍的效果。

  1、高频纹波的抑制

  高频纹波噪声多来源于高频功率变换电路。在高频功率变换电路中,输入直流电压通过高频功率器件进行变换后进行整流滤波而实现的稳压输出中,一般会含有与开关工作频率相同频率的高频纹波,其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关,设计中尽量提高功率变换器的工作频率,可以减少对高频开关纹波的滤波要求。

  2、低频纹波的抑制

  低频纹波的大小与输出电路中的滤波电容大小有关。电容的容量不能无限制地增加,不可避免的会造成输出低频纹波的残留。交流纹波经过DC/DC变换电路进行衰减后输出,属于低频噪声范围,其大小由控制系统的增益和DC/DC变换电路决定。由于电流型和电压型控制DC/DC变换电路的纹波抑制能力相对均不高且他们的输出端低频交流纹波较大。所以必须对低频电源纹波采取滤波措施实现电源的低纹波输出。

  有的电源来说,可增大DC/DC变换器闭环增益电路和采用前级预稳压电路可以增强纹波的抑制效果、可以通过改变整流滤波器的电容量以及调节反馈回路的参数来实现对低频纹波的抑制。

  3、共模纹波的抑制

  共模纹波噪声一般出现在开关电源,当开关电源的矩形波电压作用于功率器件时,与功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间的寄生电容和导线中存在寄生电感相互作用,产生共模纹波噪声。对于共模纹波噪声抑制的方法有:

  1)减小控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容,并在输出端加共模抑制电感及电容;

  2)利用EMI滤波器可以有效的抑制共模纹波的干扰;

  3)降低开关毛刺幅度。

  4、闭环控制环路纹波的抑制

  闭环控制环路纹波的产生原因一般是环路中的参数设置不适当,当输出端存在一定波动时,反馈网络把输出端的波动电压反馈到调节器回路,致使调节器产生自激响应,从而产生附加纹波。

  抑制方法主要有:抑制调节器自激响应、合理选择环路的放大倍数、调节器稳定性、电源输出端接LDO滤波,这是减少纹波和噪声最有效的方法


标签: 接近开关

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