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推挽變換器漏感電壓尖峰詳解
  • 發(fā)布時(shí)間:2023-03-28 15:26:10
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推挽變換器漏感電壓尖峰詳解
推挽,在國(guó)內(nèi)逆變行業(yè)無處沒有它的身影,最多的還是車載逆變器。由于其電路簡(jiǎn)單,功率管數(shù)量少,占用PCB空間也少。但其推挽所選功率管需要2倍輸入電壓特性,在低壓大電流點(diǎn)路中再合適不過,也成為逆變電源工程師設(shè)計(jì)之首選。
正是因?yàn)榭此坪?jiǎn)單的一個(gè)拓?fù)洌_讓很多設(shè)計(jì)師望而卻步,因?yàn)橥仆煊幸粋€(gè)最頭疼的問題,電壓尖峰。
通常推挽拓?fù)渲泄β使苓x用都是MOSFET,而MOSFET失效最多原因往往不是電流而是電壓,這正是由于推挽變換器漏感所致。這就迫使設(shè)計(jì)師不得不降低變壓器漏感,選用更高耐壓功率管,甚至加入各種吸收電路來滿足設(shè)計(jì)要求,但是卻發(fā)現(xiàn)都不能從根本上解決問題。
下面研究一下電壓尖峰的產(chǎn)生機(jī)制
高頻變器設(shè)計(jì)時(shí),總會(huì)或多或少存在一定漏感,當(dāng)其中一只功率管VT1導(dǎo)通時(shí),變壓器要向副邊傳送能量,就會(huì)有電流流過變壓器繞組Lp1,而變壓器漏感可以看作一個(gè)獨(dú)立電感Lm1串聯(lián)在電路中,在電流流過Lp1時(shí)儲(chǔ)存能量,并在功率管關(guān)斷后釋放能量,如果Lm1儲(chǔ)存的能量在死區(qū)時(shí)間內(nèi)沒有完全釋放,在另一只功率管VT2導(dǎo)通時(shí),這就形成了很高電壓尖峰。
推挽 漏感 尖峰
大家都知道MOSFET制作工藝時(shí)體內(nèi)有3個(gè)電容,輸入電容GS,輸出電容DS,和反向傳輸電容DG。這個(gè)輸出電容Coss對(duì)尖峰有一定吸收作用,如果漏感能量足夠小,可以得到有效的吸收。如果漏感能量很大,就會(huì)在Coss上形成很高電壓,損壞MOSFET管。
要想控制推挽拓?fù)涔ぷ髟?倍左右輸出電壓,就要讓功率管接近關(guān)斷時(shí),電流下降接近為0,才能避免尖峰電壓的產(chǎn)生,這里就需要用到軟開關(guān)電路。
但是要做到軟開關(guān)條件是很苛刻的,一般需要占空比和死區(qū)時(shí)間恒定時(shí)才能達(dá)到。那么只有占空比最大時(shí),通過設(shè)置好合理的死區(qū)時(shí)間,可以達(dá)到軟開關(guān)條件。
所以這里就有2大難題需要我們解決:
1:閉環(huán)工作時(shí)的電壓尖峰。(占空比沒有達(dá)到最大時(shí))
2:開環(huán)工作時(shí)的電壓尖峰。(最大占空比時(shí))
既然我們可以用軟開關(guān)解決開環(huán)工作時(shí)MOSFET的電壓尖峰,那么我們可以讓機(jī)器在開機(jī)和空載時(shí)處于閉環(huán)狀態(tài),減少待機(jī)功耗。帶載后工作在開環(huán)。因?yàn)榭蛰d時(shí)高頻變壓器向副邊傳遞的能量只有待機(jī)損耗,變壓器漏感儲(chǔ)存的能量并不大,漏感尖峰在很小范圍,這樣就能保證MOSFET工作在安全范圍。
接下來首先要解決的是軟開關(guān)。我們先來看看軟開關(guān)電路結(jié)構(gòu)。
推挽 漏感 尖峰
這是一個(gè)很常用的諧振電路,Lr為副邊諧振電感,Cr為副邊諧振電容,通過調(diào)節(jié)Lr和Cr來調(diào)節(jié)輸出阻抗,使諧振頻率等于工作頻率,也就是使變換器工作在容性和感性的臨界區(qū)域,此時(shí)副邊的工作電流呈正弦。(調(diào)節(jié)Lr和Cr可以控制副邊電流的上升弧度完全正弦,Cr可以起到隔直作用,防止變壓器偏磁。)
下面這張波形為變換器工作在滿載開環(huán)下的波形圖。
黃色為副邊Lr的電流波形,藍(lán)色為推挽其中一只功率管的VDS電壓波形
推挽 漏感 尖峰
上圖黃色為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形,藍(lán)色為VDS電壓波形
不難看出,初級(jí)邊功率管工作在0電壓開關(guān)模式下,副邊整流二極管工作在0電流開關(guān)模式下,由于高頻變壓器初次級(jí)耦合存在漏感,副邊整流二極管在電流為0時(shí),初級(jí)任然有一定電流流過,當(dāng)然這個(gè)電流很小,這樣在功率管關(guān)斷后,變壓器漏感儲(chǔ)存的能量能夠加速功率管的Coss電容呈線性充電,同時(shí)也給另一只功率管創(chuàng)造了0電壓導(dǎo)通條件。調(diào)節(jié)合適死區(qū)時(shí)間來滿足漏感能量給Coss充電過程。就可以實(shí)現(xiàn)功率管工作電壓在2倍輸入電壓下。
閉環(huán)工作時(shí)有2種模式:
1:開機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)。
2:空載或者負(fù)載很輕時(shí)。
下面來看一張開機(jī)MOSFET的電壓波形
推挽 漏感 尖峰
這是輸入24V電壓下功率MOSFET的電壓尖峰,如果選用100VMOSFET,也是是相當(dāng)危險(xiǎn)。
下圖為處理后的開機(jī)電壓尖峰波形,基本上已經(jīng)控制在2倍輸入電壓下。
推挽 漏感 尖峰
接下來依次講解處理開機(jī)電壓尖峰的處理辦法。
米勒效應(yīng)在MOS驅(qū)動(dòng)中臭名昭著,他是由MOS管的米勒電容引發(fā)的米勒效應(yīng),在MOS管開通過程中,GS電壓上升到某一電壓值后GS電壓有一段穩(wěn)定值,過后GS電壓又開始上升直至完全導(dǎo)通。
為什么會(huì)有穩(wěn)定值這段呢?因?yàn)椋贛OS開通前,D極電壓大于G極電壓,MOS寄生電容Cgd儲(chǔ)存的電量需要在其導(dǎo)通時(shí)注入G極的電荷與其中和,因MOS完全導(dǎo)通后G極電壓大于D極電壓。米勒效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重增加MOS的開通損耗。
所以就出現(xiàn)了所謂的圖騰驅(qū)動(dòng)!選擇MOS時(shí),Cgd越小開通損耗就越小。米勒效應(yīng)不可能完全消失。
MOS上的電壓尖峰,這個(gè)尖峰電壓是不是等于輸入電壓+反射電壓+漏感電壓
1.開關(guān)損耗大。開通時(shí),開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行;關(guān)斷時(shí),電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗,該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。
2.感性關(guān)斷電尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí),電路的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓,開關(guān)頻率愈高,關(guān)斷愈快,該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端,易造成器件擊穿。
3.容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時(shí),儲(chǔ)存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高,開通電流尖峰愈大,從而引起器件過熱損壞。另外,二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)期,開關(guān)管在此期間內(nèi)的開通動(dòng)作,易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高,該沖擊電流愈大,對(duì)器件的安全運(yùn)行造成危害。
4.電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高,電路中的di/dt和dv/dt增大,從而導(dǎo)致電磁干擾(EMI)增大,影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。
軟開關(guān)是在硬開關(guān)電路的基礎(chǔ)上,加入電感、電容等諧振器件,在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中引入諧振過程,開關(guān)在其兩端的電壓為零時(shí)導(dǎo)通;或使流過開關(guān)器件的電流為零時(shí)關(guān)斷,使開關(guān)條件得以改善,降低硬開關(guān)的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲,從而提高了電路的效率
QR, 有人叫“類共振”,也叫做“準(zhǔn)諧振”。
基本架構(gòu)還是Flyback,只不過是利用變壓器漏感形成類似共振的效果。有共振當(dāng)然電壓波形就會(huì)有出現(xiàn)弦波,再利用弦波的波谷段將MOSFET導(dǎo)通,此時(shí)在MOSFET D-S 兩端的VDS最小,以此達(dá)到減少切換損失達(dá)成高效率的要求。MOSFET導(dǎo)通時(shí)VDS最小,就是導(dǎo)通時(shí)的dv/dt最小,EMI特性會(huì)大大優(yōu)化。
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