開關(guān)電源如何實現(xiàn)無源軟開關(guān)

飽和電感特性●熱特性

飽和電感是功率器件，通過進入和退出飽和過程的磁滯損耗(而不是渦流損耗或者銅損)吸收電流尖峰能量，主要熱功率來自于磁芯。

這一方面要求磁芯應(yīng)該是高頻材料，另一方面要求磁芯溫度在任何情況下不得超過居里溫度。這意味著飽和電感的磁芯應(yīng)該具有最有利的散熱特性和結(jié)構(gòu)，即：更高的居里溫度、更高的導(dǎo)熱系數(shù)、更大的散熱面積、更短的熱傳導(dǎo)路徑。

緩沖的基本方法：

●在沖擊電流尖峰的路徑上串入某種類型的電感，可以是以下類型：緩沖的特性：

●由于緩沖電感的串入會顯著增加吸收的工作量，因此緩沖電路一般需要與吸收電路配合使用。

●緩沖電路延緩了導(dǎo)通電流沖擊，可實現(xiàn)某種程度的軟開通(ZIS)。

●變壓器漏感也可以充當緩沖電感。LD 緩沖特點：

●可不需要吸收電路配合。

●緩沖釋能二極管與拓撲續(xù)流二極管電流應(yīng)力相當甚至更大。

●緩沖釋能二極管的損耗可以簡單理解為開關(guān)管減少的損耗。

●適當?shù)木彌_電感(L3)參數(shù)可以大幅度減少開關(guān)管損耗，實現(xiàn)高效率。LR 緩沖特點：

●需要吸收電路配合以轉(zhuǎn)移電感剩余能量。

●緩沖釋能電阻R的損耗較大，可簡單理解為是從開關(guān)管轉(zhuǎn)移出來的損耗。

●R、L參數(shù)必須實現(xiàn)最佳配合，參數(shù)設(shè)計調(diào)試比較難以掌握。

●只要參數(shù)適當仍然能夠?qū)崿F(xiàn)高效率。

飽和電感緩沖

●飽和電感的電氣性能表現(xiàn)為對di/dt敏感。

●在一個沖擊電流的上升沿，開始呈現(xiàn)較大的阻抗，隨著電流的升高逐漸進入飽和，從而延緩和削弱了沖擊電流尖峰，即實現(xiàn)軟開通。

●在電流達到一定程度后，飽和電感因為飽和而呈現(xiàn)很低的阻抗，這有利于高效率地傳輸功率。

●在電流關(guān)斷時，電感逐漸退出飽和狀態(tài)，一方面，由于之前的飽和狀態(tài)的飽和電感量非常小，即儲能和需要的釋能較小。另一方面，退出時電感量的恢復(fù)可以減緩電壓的上升速度，有利于實現(xiàn)軟關(guān)斷。

●以Ls2為例，5u表示磁路截面積5mm2，大致相當于1顆PC40材質(zhì)442的小磁芯

●飽和特性

顯然飽和電感一般不必考慮使用氣隙或者不易飽和的低導(dǎo)磁率材料。

●初始電感等效特性

在其他條件相同情況下，較低導(dǎo)磁率的磁芯配合較多匝數(shù)、與較高導(dǎo)磁率的磁芯配合較少匝數(shù)的飽和電感初始電感相當，緩沖效果大致相當。

這意味著直接采用1 匝的穿心電感總是可能的，因為任何多匝的電感總可以找到更高導(dǎo)磁率的磁芯配合1 匝等效之。這還意味著磁芯最高導(dǎo)磁率受到限制，如果一個適合的磁芯配合1 匝的飽和電感，將沒有使用更高導(dǎo)磁率的磁芯配合更少匝數(shù)的可能。

●磁芯體積等效特性

在其他條件相同情況下，相同體積的磁芯的飽和電感緩沖效果大致相當。既然如此，磁芯可以按照最有利于散熱的磁路進行設(shè)計。比如細長的管狀磁芯比環(huán)狀磁芯、多個小磁芯比集中一個大磁芯、穿心電感比多匝電感顯然具有更大的散熱表面積。

●組合特性

有時候，單一材質(zhì)的磁芯并不能達到工程上需要的緩沖效果，采用多種材質(zhì)的磁芯相互配合或許才能能夠滿足工程需要。無源無損緩沖吸收●如果緩沖電感本身是無損的(非飽和電感)，而其電感儲能又是經(jīng)過無損吸收的方式處理的，即構(gòu)成無源無損緩沖吸收電路，實際上這也是無源軟開關(guān)電路。

●緩沖電感的存在延遲和削弱的開通沖擊電流，實現(xiàn)了一定程度的軟開通。

●無損吸收電路的存在延遲和降低了關(guān)斷電壓的dv/dt，實現(xiàn)了一定程度的軟關(guān)斷。

●實現(xiàn)無源軟開關(guān)的條件與無損吸收大致相同。并不是所有拓撲都能夠搭建出一個無源軟開關(guān)電路。因此除了經(jīng)典的電路外，很多無源軟開關(guān)電路都是被專利的熱門。

●無源無損軟開關(guān)電路效率明顯高于其他緩沖吸收方式，與有源軟開關(guān)電路效率相差無幾。因此只要能夠?qū)崿F(xiàn)無源軟開關(guān)的電路，可不必采用有源軟開關(guān)。濾波緩沖●電路中的電解電容一般具有較大的ESR(典型值是百毫歐姆數(shù)量級)，這引起兩方面問題：一是濾波效果大打折扣;二是紋波電流在ESR上產(chǎn)生較大損耗，這不僅降低效率，而且由于電解電容發(fā)熱直接導(dǎo)致的可靠性和壽命問題。

●一般方法是在電解電容上并聯(lián)高頻無損電容，而事實上，這一方法并不能使上述問題獲得根本的改變，這是由于高頻無損電容在開關(guān)電源常用頻率范圍內(nèi)仍然存在較大的阻抗的緣故。

●提出的辦法是：用電感將電解和CBB分開，CBB位于高頻紋波電流側(cè)，電解位于直流(工頻)側(cè)，各自承擔對應(yīng)的濾波任務(wù)。

●設(shè)計原則：Π形濾波網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率Fn應(yīng)該錯開PWM頻率Fp?？扇p=(1.5～2)Fn 。

●這一設(shè)計思想可以延伸到直流母線濾波的雙向緩沖，或者其他有較大濾波應(yīng)力的電路結(jié)構(gòu)。振鈴振鈴的危害：

●MEI測試在振鈴頻率容易超標。

●振鈴將引起振鈴回路的損耗，造成器件發(fā)熱和降低效率。

●振鈴電壓幅度超過臨界值將引起振鈴電流，破環(huán)電路正常工況，效率大幅度降低。

振鈴的成因：

●振鈴多半是由結(jié)電容和某個等效電感的諧振產(chǎn)生的。對于一個特定頻率的振鈴，總可以找到原因。電容和電感可以確定一個頻率，而頻率可以觀察獲得。電容多半是某個器件的結(jié)電容，電感則可能是漏感。

●振鈴最容易在無損(無電阻的)回路發(fā)生。比如：副邊二極管結(jié)電容與副邊漏感的諧振、雜散電感與器件結(jié)電容的諧振、吸收回路電感與器件結(jié)電容的諧振等等。

振鈴的抑制：

●磁珠吸收，只要磁珠在振鈴頻率表現(xiàn)為電阻，即可大幅度吸收振鈴能量，但是不恰當?shù)拇胖橐部赡茉黾诱疋彙?

●RC 吸收，其中C可與振鈴(結(jié))電容大致相當，R 按RC吸收原則選取。

●改變諧振頻率，比如：只要將振鈴頻率降低到PWM頻率相近，即可消除PWM上的振鈴。

●特別地，輸入輸出濾波回路設(shè)計不當也可能產(chǎn)生諧振，也需要調(diào)整諧振頻率或者其他措施予以規(guī)避。吸收緩沖能量再利用：RCD吸收能量回收電路●只要將吸收電路的正程和逆程回路分開，形成相對0 電位的正負電流通道，就能夠獲得正負電壓輸出。其設(shè)計要點為：

●RCD吸收電路參數(shù)應(yīng)主要滿足主電路吸收需要，不建議采用增加吸收功率的方式增加直流輸出功率。?輸出電流由L1、R1控制。逆程回路的阻抗同樣應(yīng)滿足吸收回路逆程時間的需要，調(diào)整L1、R1的大小可控制輸出功率大小，當R1減少到0 時，該電路達到最大可能輸出電流和最大輸出功率。

●輸出電壓基本上可由齊納門檻電壓任意設(shè)定，需注意齊納二極管的功率匹配。RCD鉗位能量回收電路

●12V1KW副邊全波整流原3.5WRC 吸收能量用RCD鉗位吸收回收為3W24V風扇電源的電路。?RCD鉗位吸收回收電路輸出電壓與鉗位電壓有關(guān)，可控制范圍有限。?如果回收電源負載不能確定，需要確保在任意負載狀態(tài)下吸收狀態(tài)不變，不影響主電路。注意回收電路的接地，避免成為共模干擾源。?調(diào)整R1，嚴格控制吸收程度，確保鉗位工況。

測量紋波時候，需要注意的是：要清楚紋波的帶寬上限，紋波為低頻噪聲，所以一般使用不超過紋波帶寬上限太多的示波器。

在測量時，要先打開示波器的帶寬限制功能，把帶寬限制在20MHz，

直接用探頭的屏蔽地和輸出地連接，減少因地線過長產(chǎn)生的環(huán)路干擾。

在探頭接入點的位置并聯(lián)一個較小的瓷片電容和一個小電解電容，濾除外界干擾信號防止進入示波器。

四、紋波的抑制方法

電源輸出紋波主要來源于五個方面：低頻輸入紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

抑制這些紋波的通常方法是：加大濾波電路中電容容量、采用LC濾波電路、采用多級濾波電路、以線性電源代替開關(guān)電源、合理布線等。但根據(jù)它的分類，有針對性的采取措施往往會取得事半功倍的效果。

1、高頻紋波的抑制

高頻紋波噪聲多來源于高頻功率變換電路。在高頻功率變換電路中，輸入直流電壓通過高頻功率器件進行變換后進行整流濾波而實現(xiàn)的穩(wěn)壓輸出中，一般會含有與開關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對外電路的影響大小主要和開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對高頻開關(guān)紋波的濾波要求。

2、低頻紋波的抑制

低頻紋波的大小與輸出電路中的濾波電容大小有關(guān)。電容的容量不能無限制地增加，不可避免的會造成輸出低頻紋波的殘留。交流紋波經(jīng)過DC/DC變換電路進行衰減后輸出，屬于低頻噪聲范圍，其大小由控制系統(tǒng)的增益和DC/DC變換電路決定。由于電流型和電壓型控制DC/DC變換電路的紋波抑制能力相對均不高且他們的輸出端低頻交流紋波較大。所以必須對低頻電源紋波采取濾波措施實現(xiàn)電源的低紋波輸出。

有的電源來說，可增大DC/DC變換器閉環(huán)增益電路和采用前級預(yù)穩(wěn)壓電路可以增強紋波的抑制效果、可以通過改變整流濾波器的電容量以及調(diào)節(jié)反饋回路的參數(shù)來實現(xiàn)對低頻紋波的抑制。

3、共模紋波的抑制

共模紋波噪聲一般出現(xiàn)在開關(guān)電源，當開關(guān)電源的矩形波電壓作用于功率器件時，與功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間的寄生電容和導(dǎo)線中存在寄生電感相互作用，產(chǎn)生共模紋波噪聲。對于共模紋波噪聲抑制的方法有：

1)減小控制功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容，并在輸出端加共模抑制電感及電容;

2)利用EMI濾波器可以有效的抑制共模紋波的干擾;

3)降低開關(guān)毛刺幅度。

4、閉環(huán)控制環(huán)路紋波的抑制

閉環(huán)控制環(huán)路紋波的產(chǎn)生原因一般是環(huán)路中的參數(shù)設(shè)置不適當，當輸出端存在一定波動時，反饋網(wǎng)絡(luò)把輸出端的波動電壓反饋到調(diào)節(jié)器回路，致使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生自激響應(yīng)，從而產(chǎn)生附加紋波。

抑制方法主要有：抑制調(diào)節(jié)器自激響應(yīng)、合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù)、調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性、電源輸出端接LDO濾波，這是減少紋波和噪聲最有效的方法