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功率技術/新能源  

輕鬆挑選適合的緩衝正向轉換器

上網時間: 2011年01月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:緩衝器  正向轉換器  電容  電阻  挑選 

您是否一直為如何挑選緩衝器元件而煩惱?計算出要添加多少電容和電阻是一項頗具挑戰性的工作。以下介紹一條解決難題的捷徑。

下圖一顯示了正向轉換器的功率級;轉換器的運作是經由變壓器將輸入電壓耦合至次級電路,再由次級電路完成對輸入電壓的整流和濾波。反射主電壓和變壓器漏電感形成低阻抗電路,當 D2 通過此電阻而被迫整流關閉(commutate off) 時,通常需要一個緩衝器。

D2 可以是一個矽 p-n 二極體,具有必須在關閉前實現耗盡的逆向恢復充電功能。這使得漏電感中的過剩電流加載,導致高頻率振鈴和過高的二極體電壓。蕭特基(Schottky)二極體和同步整流器也存在類似情況,原因來自於接面電容及關閉延遲時間問題。

圖二顯示了一些電路波形,頂部跡線為 Q1 極漏電壓,中間跡線為 D1 和 D2 的接面電壓,底部跡線為流經 D1 的電流。在頂部跡線中,可以看到當 Q1 打開時,其極漏電壓被降至輸入電壓以下,使得二極體 D1 電流增加。如果 D2 沒有逆向恢復充電功能,當 D1 電流等於輸出電流時,接面電壓就會上升。

漏電感延緩了 D2 關閉
圖一 漏電感延緩了D2關閉

由於 D2 具有逆向恢復充電功能,因此 D1 電流會進一步增加,便開始消耗電荷。一旦電荷耗盡,二極體便關閉,導致增加的接面電壓進一步提高。電流會不斷增加直到接面電壓等於反射輸入電壓為止,因為在漏電感兩端有一個正電壓。隨著電流的增加,該電流將對寄生電容進行充電,導致電路中振鈴和損耗更大。

當 D2 關閉時 D2 會引起過多的振鈴
圖二 當 D2 關閉時 D2 會引起過多的振鈴

這些振鈴波形會引起 EMI 問題,或帶來二極體無法接受的電壓應力。跨接 D2 的 RC 緩衝器,可以在幾乎不影響效率的前提之下,同時大大減少振鈴。下面的等式一可計算得出振鈴頻率:

等式一
等式一

但是要如何知道電路中 L 和 C 的值呢?在 D2 兩端加上一個已知電容值的電容以降低振鈴頻率,就可得到兩個等式以及兩個未知數。如果添加上正好可以減半振鈴頻率的電容,那麼就更容易求出上述值。想要降低一半頻率,需要加上4 倍於原始寄生電容的總電容。然後將新增的電容值除以3,即可得到寄生電容。

圖三顯示的等式得出的頻率為最初振鈴頻率一半時,D2兩端 470 pF 電容的波形。因此,電路具有大約 150 pF 的寄生電容。只增加電容對振鈴的振幅作用很小,電路還需要電阻來阻尼振鈴,這就是使用電容因數3的原因。如果選擇的電阻適當,那麼該電阻在對效率影響最小時,提供卓越的阻尼效果。最理想的阻尼電阻的就是寄生元件本身的電阻(參見等式2)。

等式二
等式二

將振鈴頻率提高兩倍完成寄生計算
圖三 將振鈴頻率提高兩倍完成寄生計算

使用具有35MHz 振鈴頻率的等式一,以及150 pF的寄生電容,可以計算得出漏電感為150 nH;把 150 nH 代入等式 2, 得出 大約為 30 Ohms 的緩衝器電阻值。圖四顯示了加入緩衝器電阻的影響,振鈴被完全消除,且電壓應力也從 60V 降到了 40V。這樣一來,就能選擇一個更低額定電壓的二極體,從而提高效率。最後一步就是計算緩衝器電阻損耗;使用等式三可以完成該過程的最後一步,其中 f 為運作頻率:

等式三
等式三

計算完成後,需要確定電路是否可以承受緩衝器中的損耗。如果不能的話,就需要權衡評估振鈴和緩衝器損耗。

SRC="http://www.eettaiwan.com/STATIC/ARTICLE_IMAGES/201101/20110127_TI_AN01P04.jpg" align="CENTER" ALT="選擇適當的緩衝器能完全消除振鈴" BORDER=0 >
圖四 選擇適當的緩衝器能完全消除振鈴

總而言之,緩衝正向轉換器是一個簡單的過程:(1)增加電容以減半振鈴頻率;(2)計算寄生電容和電感;(3)計算阻尼電阻以及電感;(4)確定電路損耗是否在可以接受的範圍內。

作者:Robert Kollman,德州儀器(TI)

參考文獻:

˙《進階開關模式電源轉換》,作者:Middlebrook, R. D. 和 Slobodan Cuk,第一卷和第二卷,第 2 版,TESLAco,1983 年 533 頁。摘自 TESLAco,#10 Mauchly,Irvine,CA 92718,電話:(714) 727-1960。(第一版 c 1981)

˙TI電源解決方案:www.ti.com/power-cn。





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