高頻整流電路中的新型電壓毛刺無損吸收電路

0??? 引言

??? 電壓毛刺是高頻變換器研制和生產過程中的棘手問題，處理得不好會帶來許多的問題，諸如：功率管的耐壓必須提高，而且耐壓越高，其通態電壓越大，功耗越大，這不僅使產品效率降低，而且使電路可靠性降低；另外，高頻雜音的增加，對環境造成污染；為了達到指標，必須進一步采取措施，結果不僅使產品體積增大，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）；選用結電容小，恢復時間短的優質開關管；增加吸收電路，最常用的是RC吸收電路，這種電路雖結構簡單，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，導致R的體積很大，其結果是產品中常常裝有體積大的電阻電容，使運行環境惡化，整機效率降低。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RC吸收電路的功耗

??? RC吸收電路如圖1所示，設主變壓器一次側為半橋或全橋電路，二次側為極性交變的脈寬調制方波，并且帶有毛刺，如圖2所示。這樣在RC串聯電路中就有充放電過程，在R上就會有功耗。為分析方便，先不考慮電壓毛刺，u_AC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??? 高頻調制方波

??? 設某一時刻t=0時u_AC的極性為上正下負，大小為E_o，C上的電壓為E_o，極性上負下正，等效電路如圖3所示。由電路方程可得

??? E_o=idt－E_o＋iR

圖3??? 等效電路

??? 由初始條件t=0時，i=2E_o/R，解得i=2E_oe^－t/RC/R。

??? 電阻R上的消耗功率W_R=i²Rdt=2CE_o²

??? 即C上的電壓從－E_o→＋E_o變化過程中，R上的功耗為2CE_o²。

??? 充電過程結束最終C上的電壓為E_o，極性反轉。一個周期內u_AC翻轉兩次，R上的總功耗為4CE_o²。例如：一個輸出為48V的整流器，E_o通常約為150V，頻率f取50kHz，電容C取1nF，則R上的功耗W_R=4CE_o²×f=5W。考慮毛刺的因素實際值遠大于此值。顯然，對于大功率高頻率變換器，R上的功耗是相當大的。

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。L_o與C_o為主整流電路中的電感和電容；C為毛刺能量儲存電容。L，S，D組成毛刺能量轉換釋放電路。主變壓器中繞組CD和脈沖轉換電路一起形成S的開關控制脈沖u_gs，與繞組AB形成固定的相位關系。繞組AB的電壓u_AB波形與S上的驅動脈沖波形示于圖5。

圖4??? 全橋整流電路與電壓尖峰吸收電路

(a)??? u_AB波形

(b)??? u_gs波形

圖5??? u_AB與u_gs的相位關系

??? 其吸收原理如下所述。

??? 1）t₁－t₂時段??? u_AB處于高毛刺階段，毛刺最大值比正常值U_o高出ΔU，這時由D₁，D₂，D₁₁，D₁₂形成全橋整流電路，對C充電，具體講是D₁和D₁₂導通，u_AB的毛刺部分將被C所吸收，使u_c=U_o＋ΔU。顯然，C越大，ΔU越小；毛刺越高，ΔU越大。

??? 2）t₂－t₃時段??? u_AB=U_o，D₁₂反偏截止。D₁與D₄導通，忽略D₁與D₄上的壓降，U_EF=U_o。以_E為電壓參考點，U_F比U_E電位低U_o，記作－U_o；由于U_C=U_EG=U_o＋ΔU_o，則U_G比U_E低U_o＋ΔU，記作－（U_o＋ΔU）；這樣U_FG=U_F－U_G=ΔU。

??? 由圖5（b）可以看出，在t₁－t₃時間段開關管S被觸發導通，U_FG將使L中的電流逐步上升，使C上高于U_o部分的電壓ΔU的能量逐漸轉移到L上，當t₃時刻u_AB消失，u_gs同時也消失，S截止。L上的能量將通過D向輸出電容C_o釋放，形成電壓毛刺的無損吸收。

??? 3）t₄－t₅時段??? 繞組AB之間的電壓反向，此時D₂與D₁₁導通，對C充電，之后的工作過程同t₁－t₂時間段。

??? 4）t₅－t₆時段??? 工作過程同t₂－t₃時間段。

??? t₇時刻開始，電路將重復以上過程。

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u_AB的波形、S的驅動脈沖波形與圖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，在設計LC時注意下述2個問題：

??? 1）過大的C將會使整流二極管開機瞬間沖擊電流增加，過小的C將導致吸收毛刺過程中過大的電壓增量ΔU，因此C要選擇適當；

??? 2）過大的L將使C中的ΔU能量無法及時轉移到L中，因為ΔU=Ldi/dt，L過大，將使其中的電流增長速度減慢；L過小，則di/dt過大將使承受的應力加大只能選取大電流的開關管，同時對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。