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分立器件寄生參數模型與效應

CHANBAEK ? 來源:明緯筆談 ? 作者:巍巍城 ? 2023-04-08 11:43 ? 次閱讀

電路設計中每個器件都有其寄生參數。例如,一個電感中還存在容性和阻性分量,電容中還存在感性和阻性分量。

開關穩壓器中,所適用的元件對其表現有著巨大的影響。最關鍵的元件,比如開關元件,整流元件,磁場元件和濾波電容不僅對開關頻率而且對整個轉換器的效率都有影響。功率開關,整流二極管,變壓器,電容和電感都有寄生屬性,設計者必須熟悉這些屬性并且知道如何測量它們。

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典型轉換器件的寄生分量

半導體開關有許多不理想的屬性。特別是場效應管激勵電流上的電流尖峰迫使它必須有一個驅動電路,尤其是考慮到在開關周期中,這個電流會對柵極與漏極之間的寄生米勒電容不斷地充放電。二極管中有一個等效并聯電容,這會減慢開關速度并且會導致內部前向電壓下降。電感的損耗很大程度上依賴于磁芯的材料,還有它的直流電阻分量(DC Resistance), 這個電阻會導致繞組上產生一個I2R的損耗和內部耦合容性。一般的電容寄生效應很嚴重, 比如等效串聯電阻(equivalent series resistance)和等效串聯電感(equivalentseries inductance)。所有這些效應都是與頻率有關的,所以頻率很高時一個電感會表現為容性, 一個電容也可以表現為感性。

變壓器的寄生分量如圖所示。CWA和CWB是繞組間的耦合電容,CP和CS是初級和次級繞組上 的電容(一般都不是很重要,除非是在高頻設計中),LM是磁芯的磁化電感,LLP和LLS是漏電 感。這些寄生效果對轉換器的設計有極大的影響:耦合電容會導致共模EMC問題,由于LM而產 生的飽和問題限制了變壓器的電流和可操作溫度,漏電感尤其的麻煩,它會降低效率并產生EMI輻射。

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變壓器寄生參數模型

繞組電流突變的時候,一部分電壓尖峰是有漏電感產生的。這種過大的電壓會對初級端的開關和次級端的二極管造成很大的壓力,所以要么選擇適用可以承受這些電壓尖峰的元件,要么并聯一個緩沖網來吸收尖峰中的能量。尖峰中的能量和緩沖網必須吸收的功率可以用下面 的公式來計算:

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一個沒有緩沖網的反激式設計中,開關場效應管兩端的電壓和整流二極管中的電流如圖1.35 所示。上半圖是開關場效應管兩端的電壓。在這個例子中,雖然初級的源電壓只有160Vdc, 但是場效應管必須承受600V的電壓尖峰。

下半圖是流經輸出整流二極管的電流。電流尖峰會使二極管發燙從而造成額外的功耗,由圖 可見,寄生電感效應造成的電流尖峰比由變壓器自身的電感所生成的峰值電流還要高50%。

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緩沖網電路可以吸收一部分尖峰中的能量從而緩解開關和二極管上的過壓壓力,降低它們的 操作溫度并且減小傳導干擾和輻射干擾。但是緩沖網可以吸收能量但是不能消除尖峰所造成 的功耗。本來這些能量不是被開關就是被整流器吸收,現在只是換做緩沖網的電阻吸收這部 分能量。然而,電阻是無源元件并且比較耐高溫,所以一般從成本收益的關系考慮,添加緩沖網是比較有利的。反激式轉換器中的緩沖網電路如圖所示。

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除了由寄生漏電感造成的功耗外,任何耦合電抗的系統都存在諧振頻率。大多數以變壓器為 基礎的設計都盡可能地減少寄生分量,或者選擇在一個完全遠離諧振頻率的頻段工作。

但是準諧振或者諧振轉換器卻是刻意工作在諧振頻率上的,它們是通過增加繞組電感或添加額外的電感來實現的。因為當轉換器工作在諧振頻率時,效率是極高的。

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