解析电源开关吸收器
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解析电源开关吸收器

文章出处:   责任编辑:杨海英   作者:   发布时间:2017-11-25 14:10:11    点击数:-   【

电源开关是每一种电源转换器的核心元件。这些元件的工作性能直接决定产品的可靠性和能效。为增强电源转换器的开关电路性能,吸收器横跨电源开关,以抑制电压尖刺以及衰减电路电感在开关打开时造成的瞬时振荡。正确的吸收器设计会提升可靠性和能效并减弱EMI。在许多不同的吸收器中,最常见的吸收器是阻容(RC)吸收器。本文将说明为什么电源开关需要吸收器。此外,还将给出关于吸收器设计的一些实用小窍门。

图 1:电源开关的四种基本电路

图1:电源开关的四种基本电路

在电源转换器、电机驱动器和灯泡镇流器中会用到许多不同的拓扑结构。图1所示为电源开关的四种基本电路。如图中蓝色线框所示,这四种基本电路以及大多数电源开关电路都采用了“开关-二极管-电感器”网络。这种网络在所有这些电路中的特性均相同。所以,图2中的简化电路可用于分析电源开关在开关瞬变期间的开关性能。既然电感器中的电流在开关瞬变期间几乎不变,那么如图所示,这个电感器就可用电流源替代。图2所示为理想的“电压和电流开关”波形。

图 2:简化电源开关电路及其理想开关波形

图2:简化电源开关电路及其理想开关波形

当MOSFET开关关断时,其自身电压升高。然而,电流IL将继续通过MOSFET,直到开关电压升至Vol。一旦二极管导通,IL就开始降低。当MOSFET开关导通时,情况刚好相反,如图所示。这种开关方式称作“硬开关”。在开关瞬变期间,电路必须能同时承受最高电压和最大电流。因此,这种“硬开关”方式会使MOSFET开关直接承受高电气应力。

图 3:MOSFET 开关关断瞬变电压过冲

图3:MOSFET 开关关断瞬变电压过冲

实际电路中,寄生电感(Lp)、电容(Cp)会产生非常高的开关应力,如图4所示。Cp包括开关的输出电容、PCB布局和安装时产生的杂散电容。Lp包括PCB线路的寄生电感和MOSFET的引线电感。这些来自功率器件的寄生电感、电容形成一个滤波器,并在关断瞬变刚刚结束时形成谐振,所以会在器件上叠加过高的电压瞬时振荡,如图3所示。为抑制这种峰值电压,可在开关上并联一个RC吸收器,如图4所示。电阻值必须接近希望衰减的寄生谐振的阻抗值。吸收器电容必须大于谐振电路电容,但又必须足够小,以便最大程度地减小电阻器功率耗散。

图 4:阻容吸收器配置

图4:阻容吸收器配置

如果功率耗散非关键指标,则可采用一种快捷的RC吸收器设计方法。按照经验,吸收器电容器Csnub应两倍于开关输出电容与预计安装电容之和。吸收器电阻器Rsnub则应满足等式1。电阻Rsnub在给定开关频率(fs)下的功率耗散可按照下式估算: 

等式2

当这种简单的经验设计不能充分限制峰值电压时,就需采取优化措施。

经过优化的RC吸收器:在功率耗散是关键指标的情况下应采用一种更优的方法。首先,测量MOSFET开关关断时在其节点(SW)处的瞬时振荡频率(Fring)。在MOSFET两端焊接一个薄膜型100 pF、低ESR电容器。增大电容值,直至瞬时振荡频率为原始测量值的一半。现在,开关的总输出电容(增加的电容和原有寄生电容之和)增大到原来的四倍,而瞬时振荡频率则与电路的电感电容之积的平方根成反比例。所以,寄生电容Cp是外加电容器电容值的三分之一。现在,寄生电感Lp可利用下式求出:

等式3

只要求出寄生电感Lp和寄生电容Cp,就可根据以下计算公式确定吸收器的电阻器Rsnub和电容器Csnub。

等式4

等式5

如发现吸收器电阻器不够大,则可以进行微调,进一步减少瞬时振荡。

电阻器Rsnub在给定开关频率(fs)下的功率耗散为等式6

利用所有这些求出的值即可完成电源开关吸收器设计,然后就可以在应用中实现。

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