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【原创】整流管尖峰吸收电路探讨

最近在电源网上看到还有朋友在讨论Flyback的次级侧整流二极管的RC尖峰吸收问题,觉得大家在处理此类尖峰问题上仍过于传统,其实此处用RCD吸收会比用RC 吸收效果更好,用RCD吸收,其整流管尖峰电压可以压得更低(合理的参数搭配,可以完全吸收,几乎看不到尖峰电压),而且吸收损耗也更小。

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haibin
LV.5
2
2010-08-26 15:50

整流二极管电压波形(RC吸收)  整流二极管电压波形(RCD吸收)  

从这两张仿真图看来,其吸收效果相当,如不考虑二极管开通时高压降,可以认为吸收已经完全。

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haibin
LV.5
3
2010-08-26 16:16

我们再看看两种吸收电路对应的吸收损耗问题(以Flyback为例):

采用RC吸收:C上的电压在初级MOS开通后到稳态时的电压为Vo+Ui/N,(Vo为输出电压,Ui输入电压,N为变压器初次级匝比),因为我们设计的RC的时间参数远小于开关周期,可以认为在一个吸收周期内,RC充放电能到稳态,所以每个开关周期,其吸收损耗的能量为:次级漏感尖峰能量+RC稳态充放电能量,近似为RC充放电能量=C*(Vo+Ui/N)^2(R上消耗能量,每个周期充一次放一次),所以RC吸收消耗的能量为 fsw*C*(Vo+Ui/N)^2,以DC300V输入,20V输出,变压器匝比为5,开关频率为100K,吸收电容为2.2nF为例,其损耗的能量为2.2N*(20+300/5)^2*100K=1.4w ;

采用RCD吸收,因为采用RCD吸收,其吸收能量包括两部分,一部分是电容C上的DC能量,一部分就是漏感能量转换到C上的尖峰能量,因为漏感非常小,其峰值电流由不可能太大,所以能量也非常有限,相对来讲,只考虑R消耗的直流能量就好了,以上面同样的参数,C上的直流电压为Vo+Ui/N=80V,电阻R取47K,其能量消耗为0.14W,相比上面的1.4W,“低碳”效果非凡。

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haibin
LV.5
4
2010-08-26 17:48
@haibin
我们再看看两种吸收电路对应的吸收损耗问题(以Flyback为例):采用RC吸收:C上的电压在初级MOS开通后到稳态时的电压为Vo+Ui/N,(Vo为输出电压,Ui输入电压,N为变压器初次级匝比),因为我们设计的RC的时间参数远小于开关周期,可以认为在一个吸收周期内,RC充放电能到稳态,所以每个开关周期,其吸收损耗的能量为:次级漏感尖峰能量+RC稳态充放电能量,近似为RC充放电能量=C*(Vo+Ui/N)^2(R上消耗能量,每个周期充一次放一次),所以RC吸收消耗的能量为fsw*C*(Vo+Ui/N)^2,以DC300V输入,20V输出,变压器匝比为5,开关频率为100K,吸收电容为2.2nF为例,其损耗的能量为2.2N*(20+300/5)^2*100K=1.4w;采用RCD吸收,因为采用RCD吸收,其吸收能量包括两部分,一部分是电容C上的DC能量,一部分就是漏感能量转换到C上的尖峰能量,因为漏感非常小,其峰值电流由不可能太大,所以能量也非常有限,相对来讲,只考虑R消耗的直流能量就好了,以上面同样的参数,C上的直流电压为Vo+Ui/N=80V,电阻R取47K,其能量消耗为0.14W,相比上面的1.4W,“低碳[图片]”效果非凡。

离下班还有十几分钟,再谈谈这两种吸收电路的特点及其他吸收电路:

RC吸收:吸收尖峰的同时也将变压器输出的方波能量吸收,吸收效率低,损耗大,但电路简单,吸收周期与开关频率一致,可以用在低待机功耗电路中;

RCD吸收:适合所有应用RC吸收漏感尖峰的地方(包括正激、反激、全桥、半桥等拓扑)吸收效率较RC高,但是存在一直消耗电容(一般比较大)储存的能量的情况,不适合应用在低待机功耗电路中(包括初级MOS管的漏感吸收);

再讨论一下ZENER吸收:可以应用于初级MOS漏感尖峰吸收,次级整流管电压尖峰吸收,还可应用于低待机功耗电路,吸收效率最高,成本高,但ZENER稳压参数变化较大,需仔细设计。

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haibin
LV.5
5
2010-08-27 09:22
人气不够?看来电源网大虾太多了,哈哈,如此以来小弟这般是献丑了。
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cheng111
LV.11
6
2010-08-27 09:41
@haibin
人气不够?看来电源网大虾太多了,哈哈,如此以来小弟这般是献丑了。
发现好贴,顶一下先....等一下啊再来
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jianyedin
LV.9
7
2010-08-27 17:59
@haibin
人气不够?看来电源网大虾太多了,哈哈,如此以来小弟这般是献丑了。
Ding
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998lllll
LV.8
8
2010-08-27 19:34
@haibin
人气不够?看来电源网大虾太多了,哈哈,如此以来小弟这般是献丑了。
支持楼主,顶你!!
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bpyanyu
LV.8
9
2010-08-27 20:52
@haibin
我们再看看两种吸收电路对应的吸收损耗问题(以Flyback为例):采用RC吸收:C上的电压在初级MOS开通后到稳态时的电压为Vo+Ui/N,(Vo为输出电压,Ui输入电压,N为变压器初次级匝比),因为我们设计的RC的时间参数远小于开关周期,可以认为在一个吸收周期内,RC充放电能到稳态,所以每个开关周期,其吸收损耗的能量为:次级漏感尖峰能量+RC稳态充放电能量,近似为RC充放电能量=C*(Vo+Ui/N)^2(R上消耗能量,每个周期充一次放一次),所以RC吸收消耗的能量为fsw*C*(Vo+Ui/N)^2,以DC300V输入,20V输出,变压器匝比为5,开关频率为100K,吸收电容为2.2nF为例,其损耗的能量为2.2N*(20+300/5)^2*100K=1.4w;采用RCD吸收,因为采用RCD吸收,其吸收能量包括两部分,一部分是电容C上的DC能量,一部分就是漏感能量转换到C上的尖峰能量,因为漏感非常小,其峰值电流由不可能太大,所以能量也非常有限,相对来讲,只考虑R消耗的直流能量就好了,以上面同样的参数,C上的直流电压为Vo+Ui/N=80V,电阻R取47K,其能量消耗为0.14W,相比上面的1.4W,“低碳[图片]”效果非凡。
有那么大的功率损耗吗???有很多的时候整流管旁边本来就没多少地方,再加一个二极管会很麻烦。我用准谐振的电路,那里都不用加了
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jerry_ch
LV.5
10
2010-08-27 21:31
@haibin
[图片]整流二极管电压波形(RC吸收) [图片] 整流二极管电压波形(RCD吸收)  从这两张仿真图看来,其吸收效果相当,如不考虑二极管开通时高压降,可以认为吸收已经完全。

看起来不错,找个时间试验一下.

不过加了个二极管,成本又会稍稍上涨,在小功率电源上不太适合吧.

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2010-08-27 22:13

关注下

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yuyan
LV.9
12
2010-08-27 22:18
@guoyufeng_zj
关注下
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haibin
LV.5
13
2010-08-27 23:06
@bpyanyu
有那么大的功率损耗吗???有很多的时候整流管旁边本来就没多少地方,再加一个二极管会很麻烦。我用准谐振的电路,那里都不用加了

你可以参考我上面的计算过程去计算,应该八九不离十。

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haibin
LV.5
14
2010-08-27 23:07
@jerry_ch
看起来不错,找个时间试验一下.不过加了个二极管,成本又会稍稍上涨,在小功率电源上不太适合吧.
试验过后,你应该会很惊喜,二极管可以采用贴片的(快速开关二极管,如果参数合适,1N4148不错),电阻电容都可以用贴片的
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cheng111
LV.11
15
2010-08-28 08:52
@bpyanyu
有那么大的功率损耗吗???有很多的时候整流管旁边本来就没多少地方,再加一个二极管会很麻烦。我用准谐振的电路,那里都不用加了
bpyanyu版主,讲讲你的准谐振法,悄悄...
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bpyanyu
LV.8
16
2010-08-29 05:37
@cheng111
bpyanyu版主,讲讲你的准谐振法,悄悄...
我看一些资料上说的准谐振反激没有输出二极管反向电流的问题
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haibin
LV.5
17
2010-08-29 08:48
@bpyanyu
我看一些资料上说的准谐振反激没有输出二极管反向电流的问题

整流管的反向恢复只会出现在连续工作模式中,断续工作模式的电源拓扑,都不会存在整流管的反向恢复问题;

整流管的电容效应及次级杂散电容与次级漏感会引起振荡,这种振荡在整流管大的dv/dt(变压器连整流管端电压变化率)和二极管反向恢复电流(连续模式)影响下,表现为变压器输出端+输出电压通过次级漏感与整流管等杂散电容的谐振,从而引起整流管反向电压尖峰。

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2010-08-29 09:32
@haibin
离下班还有十几分钟,再谈谈这两种吸收电路的特点及其他吸收电路:RC吸收:吸收尖峰的同时也将变压器输出的方波能量吸收,吸收效率低,损耗大,但电路简单,吸收周期与开关频率一致,可以用在低待机功耗电路中;RCD吸收:适合所有应用RC吸收漏感尖峰的地方(包括正激、反激、全桥、半桥等拓扑)吸收效率较RC高,但是存在一直消耗电容(一般比较大)储存的能量的情况,不适合应用在低待机功耗电路中(包括初级MOS管的漏感吸收);再讨论一下ZENER吸收:可以应用于初级MOS漏感尖峰吸收,次级整流管电压尖峰吸收,还可应用于低待机功耗电路,吸收效率最高,成本高,但ZENER稳压参数变化较大,需仔细设计。

好贴,标记!!

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cheng111
LV.11
19
2010-08-29 21:42
@haibin
整流管的反向恢复只会出现在连续工作模式中,断续工作模式的电源拓扑,都不会存在整流管的反向恢复问题;整流管的电容效应及次级杂散电容与次级漏感会引起振荡,这种振荡在整流管大的dv/dt(变压器连整流管端电压变化率)和二极管反向恢复电流(连续模式)影响下,表现为变压器输出端+输出电压通过次级漏感与整流管等杂散电容的谐振,从而引起整流管反向电压尖峰。
断续模式下,为什么没有整流管的反向恢复问题呢?
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2010-08-29 22:01
@cheng111
断续模式下,为什么没有整流管的反向恢复问题呢?

我觉得没有,大电流的产生是因为起初二极管有正向电流导致内部什么变化(记不清了),在突然电压方向时就会产生很大的方向电流。而工作在断续状态下,当电压反向时没有“内部什么变化”,也就不会有大电流产生了。。。我的理解是这样的!!

“内部什么变化”高手介绍下吧

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cheng111
LV.11
21
2010-08-29 22:07
@on_the_way_li
我觉得没有,大电流的产生是因为起初二极管有正向电流导致内部什么变化(记不清了),在突然电压方向时就会产生很大的方向电流。而工作在断续状态下,当电压反向时没有“内部什么变化”,也就不会有大电流产生了。。。我的理解是这样的!!“内部什么变化”高手介绍下吧[图片]

li版主,给我的解释也太牵强了...理解不了啊

是不是“内部没有电流变化”啊

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2010-08-30 00:35
@haibin
人气不够?看来电源网大虾太多了,哈哈,如此以来小弟这般是献丑了。

很少见到 有这么用过!不过 有机会 我用一下 ,看看对EMC 有什么好处!

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2010-08-30 08:29
@cheng111
li版主,给我的解释也太牵强了...理解不了啊是不是“内部没有电流变化”啊
回头给你解释,上班了!!!还有我可不是什么斑竹啊,我只是打酱油的。。。
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cheng111
LV.11
24
2010-08-30 08:43
@on_the_way_li
回头给你解释,上班了!!!还有我可不是什么斑竹啊,我只是打酱油的。。。
那我也打酱油去
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haibin
LV.5
25
2010-08-30 15:46
@cheng111
断续模式下,为什么没有整流管的反向恢复问题呢?

通俗来讲,二极管的反向恢复指正在导通的二极管从导通状态转换为反向截至状态的一个动态过程,这里有两个先决条件:二极管在反向截至之前要有一定正向电流(电流大小影响到反向恢复的最大峰值电流及恢复时间,本来已截至的状态不在此列,故只有连续模式才存在反向恢复问题);为满足二极管快速进入截至状态,会有一个反向电压加在二极管两端(这个反向电压的大小也影响已知二极管的反向恢复电流及恢复时间)。所以看有无反向恢复问题,可以对比其是否具备这两个条件。

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cheng111
LV.11
26
2010-08-30 15:50
@haibin
通俗来讲,二极管的反向恢复指正在导通的二极管从导通状态转换为反向截至状态的一个动态过程,这里有两个先决条件:二极管在反向截至之前要有一定正向电流(电流大小影响到反向恢复的最大峰值电流及恢复时间,本来已截至的状态不在此列,故只有连续模式才存在反向恢复问题);为满足二极管快速进入截至状态,会有一个反向电压加在二极管两端(这个反向电压的大小也影响已知二极管的反向恢复电流及恢复时间)。所以看有无反向恢复问题,可以对比其是否具备这两个条件。
谢谢..
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haibin
LV.5
27
2010-08-30 15:55
@on_the_way_li
我觉得没有,大电流的产生是因为起初二极管有正向电流导致内部什么变化(记不清了),在突然电压方向时就会产生很大的方向电流。而工作在断续状态下,当电压反向时没有“内部什么变化”,也就不会有大电流产生了。。。我的理解是这样的!!“内部什么变化”高手介绍下吧[图片]
你说的应该是PN结的载流子吧,其实微观来讲,可以简单认为PN内部并联存在一个电容,在PN导通的时候,该电容上充满电荷,但PN承受外部来的反向电压时,因该电容存在的放电电流及反向充电电流,从而出现反向恢复电流,当电容放电完成,反向恢复过程也就结束了。
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sunsrachel
LV.2
28
2010-08-31 13:32
@yuyan

跟大家一起学习中

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cheng111
LV.11
29
2010-08-31 14:22
@sunsrachel
跟大家一起学习中
版主继续...
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bpyanyu
LV.8
30
2010-08-31 14:42
@haibin
整流管的反向恢复只会出现在连续工作模式中,断续工作模式的电源拓扑,都不会存在整流管的反向恢复问题;整流管的电容效应及次级杂散电容与次级漏感会引起振荡,这种振荡在整流管大的dv/dt(变压器连整流管端电压变化率)和二极管反向恢复电流(连续模式)影响下,表现为变压器输出端+输出电压通过次级漏感与整流管等杂散电容的谐振,从而引起整流管反向电压尖峰。
了解了,也就是说临界模式和断续模式的时候管子两端的电压不会存在突然反向就不会有这个问题。
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syd1110
LV.4
31
2010-08-31 16:52
@on_the_way_li
我觉得没有,大电流的产生是因为起初二极管有正向电流导致内部什么变化(记不清了),在突然电压方向时就会产生很大的方向电流。而工作在断续状态下,当电压反向时没有“内部什么变化”,也就不会有大电流产生了。。。我的理解是这样的!!“内部什么变化”高手介绍下吧[图片]

看看diode的SPICE等效电路你就明白了,正向时有个扩散电容,反向时有个势垒电容.根本的原因还是少子在作怪,要是想进步了解请看下半导体物理就差不多了.

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