高頻電源模塊緩沖電路優(yōu)化探討

摘要：高頻電源模塊的噪聲主要來自功率變換和輸出整流濾波電路。ZVZCS PWM全橋變換器實現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān)，但其輸出整流二極管不是工作在軟開關(guān)狀態(tài)，輸出整流二極管在換流時，變換器的副邊存在寄生振蕩。本文討論其產(chǎn)生原因及抑制辦法。
關(guān)鍵詞：高頻；尖峰；探討

1 副邊整流二極管的反向恢復(fù)過程
實際上已導(dǎo)通的二極管在突然加上反向電壓的一段時間內(nèi)，電流下降到零以后，它并不立刻停止導(dǎo)通，還處于反向低阻狀態(tài)。此時在反向電壓作用下，載流子進入復(fù)合過程，于是在反方向繼續(xù)流過電流；當載流子復(fù)合完畢，反向電流才迅速衰減到零。這個階段就是二極管的反向恢復(fù)過程，如圖1所示。

在反向電流衰減過程中，電路產(chǎn)生強烈的過渡過程，它在關(guān)斷元件兩端產(chǎn)生極高的過電壓，即換流過電壓；另外，因電流衰減時在關(guān)斷元件上同時存在電流與電壓，在元件中瞬時產(chǎn)生極大的功率，即所謂關(guān)斷功率。
二極管振蕩的等效電路如圖2所示。

圖中，Lk為變壓器的漏感，Lp為二極管的串聯(lián)寄生電感，Cp為二極管的并聯(lián)寄生電容，VD為理想二極管。
當副邊電壓為零時，在全橋整流器中四個二極管全部導(dǎo)通，輸出濾波電感電流處于自然續(xù)流狀態(tài)。而當副邊電壓變化為高電壓U2時，整流橋中有兩只二極管要關(guān)斷，兩只二極管繼續(xù)導(dǎo)通。這時變壓器的漏感和整流管的串聯(lián)寄生電感Lp就開始與整流管的并聯(lián)寄生電容Cp之間產(chǎn)生寄生振蕩。二極管電流與電壓波形呈指數(shù)衰減的高頻振蕩波形，在二極管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很高反向電壓浪涌。它的存在不但增加了二極管的功耗，而且也對輸出電能質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。特別是在大功率應(yīng)用中，巨大的電壓尖峰很有可能造成二極管的過壓擊穿。因此在設(shè)計中應(yīng)予以特別關(guān)注。

2 減小電壓尖峰的對策
整流二極管的反向恢復(fù)時間除由器件本身的性能決定外，還受許多電路因素的影響。包括其導(dǎo)通時流過的正向電流的大小、正向電流的下降速率、反向電壓的大小以及反向電壓的上升速率等。
反向電流i是產(chǎn)生電壓尖峰的根源，減小i的數(shù)值無疑是抑制尖峰的根本措施。選用合適的整流二極管，例如：快恢復(fù)二極管，雖然反向恢復(fù)時間短，反向恢復(fù)損耗小，但恢復(fù)特性較硬，電壓尖峰仍然很大。可適當選用恢復(fù)特性相對較軟(tb／ta值小)的軟快恢復(fù)二極管。另外適當加大二極管電流容量或者多管并聯(lián)以減小通過每只管的正向電流都能對抑制電壓尖峰起到積極的影響。合理的布局布線，減小變壓器漏感及引線電感，從而減小振蕩也是一個抑制尖峰的根本方法。
當器件選好，布線完畢后，我們還能通過外加緩沖電路的辦法抑制電壓尖峰。常用的緩沖電路有以下幾種：
(1)RC吸收電路
解決功率二極管反向恢復(fù)問題最常見的辦法是采用RC吸收電路，它是在每個二極管上并聯(lián)一個R和C的串聯(lián)支路。RC吸收電路如圖3所示二極管反向關(guān)斷時，寄生電感中的能量對寄生電容充電，同時還通過吸收電阻R對吸收電容C充電。在吸收同樣能量的情況下，吸收電容越大，其上的電壓就越??；當二極管快速正向?qū)〞r，C通過R放電，能量的大部分將消耗在R上。雖然這種吸收網(wǎng)絡(luò)能夠有效的抑制反向電壓尖峰，但是它是有損耗的，相當于把整流二極管的關(guān)斷損耗轉(zhuǎn)移到了RC吸收電路上，不利于提高變換器的效率。
(2)有源鉗位
為了降低損耗，有人提出了一種主動鉗位電路，它由鉗位開關(guān)管TVs、鉗位二極管VDs和鉗位電容Cs組成，Cs的容量較大。如圖4所示。