高频整流电路中的新型电压毛刺无损吸收电路

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高频整流电路中的新型电压毛刺无损吸收电路

摘要：定量分析了常规RC电压毛刺吸收电路中电阻上的发热情况，详细描述了全桥或半桥拓扑电路中主变次级部分两种常见整流电路中的电压毛刺无损吸收全过程，讨论了无损吸收电路中LC选取注意点。    关键词：高频整流；电压毛刺尖峰；无损吸收电路
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，uAC的电压波形为极性交变的方波。
设某一时刻t=0时uAC的极性为上正下负，大小为Eo，C上的电压为Eo，极性上负下正，等效电路如图3所示。由电路方程可得


即C上的电压从－Eo→＋Eo变化过程中，R上的功耗为2CEo2。
充电过程结束最终C上的电压为Eo，极性反转。一个周期内uAC翻转两次，R上的总功耗为4CEo2。例如：一个输出为48V的整流器，Eo通常约为150V，频率f取50kHz，电容C取1nF，则R上的功耗WR=4CEo2×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。Lo与Co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ugs，与绕组AB形成固定的相位关系。绕组AB的电压uAB波形与S上的驱动脉冲波形示于图5。
其吸收原理如下所述。
1）t1－t2时段uAB处于高毛刺阶段，毛刺最大值比正常值Uo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，uAB的毛刺部分将被C所吸收，使uc=Uo＋ΔU。显然，C越大，ΔU越小；毛刺越高，ΔU越大。
2）t2－t3时段uAB=Uo，D12反偏截止。D1与D4导通，忽略D1与D4上的压降，UEF=Uo。以E为电压参考点，UF比UE电位低Uo，记作－Uo；由于UC=UEG=Uo＋ΔUo，则UG比UE低Uo＋ΔU，记作－（Uo＋ΔU）；这样UFG=UF－UG=ΔU。

    由图5（b）可以看出，在t1－t3时间段开关管S被触发导通，UFG将使L中的电流逐步上升，使C上高于Uo部分的电压ΔU的能量逐渐转移到L上，当t3时刻uAB消失，ugs同时也消失，S截止。L上的能量将通过D向输出电容Co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uAB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

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。

李小路

谢谢分享！

renran

不错，学习了，感谢分享