0 引言

電壓毛刺是高頻變換器研制和生產(chǎn)過程中的棘手問題，處理得不好會(huì)帶來許多的問題，諸如：功率管的耐壓必須提高，而且耐壓越高，其通態(tài)電壓越大，功耗越大，這不僅使產(chǎn)品效率降低，而且使電路可靠性降低；另外，高頻雜音的增加，對環(huán)境造成污染；為了達(dá)到指標(biāo)，必須進(jìn)一步采取措施，結(jié)果不僅使產(chǎn)品體積增大，而且使成本增加。解決辦法通常是：增加主變壓器中各線圈的耦合程度，以減少漏感（例如雙線并繞等）；選用結(jié)電容小，恢復(fù)時(shí)間短的優(yōu)質(zhì)開關(guān)管；增加吸收電路，最常用的是RC吸收電路，這種電路雖結(jié)構(gòu)簡單，但是有損的，而且變換器功率越大，需要的C越大，使R上的功耗也越大，導(dǎo)致R的體積很大，其結(jié)果是產(chǎn)品中常常裝有體積大的電阻電容，使運(yùn)行環(huán)境惡化，整機(jī)效率降低。顯然這些解決辦法不理想，本文將介紹兩種無損電壓毛刺回收電路。

1 常規(guī)RC吸收電路的功耗

RC吸收電路如圖1所示，設(shè)主變壓器一次側(cè)為半橋或全橋電路，二次側(cè)為極性交變的脈寬調(diào)制方波，并且?guī)в忻?，如圖2所示。這樣在RC串聯(lián)電路中就有充放電過程，在R上就會(huì)有功耗。為分析方便，先不考慮電壓毛刺，uAC的電壓波形為極性交變的方波。

圖1 高頻整流的RC吸收電路

圖2 高頻調(diào)制方波

設(shè)某一時(shí)刻t=0時(shí)uAC的極性為上正下負(fù)，大小為Eo，C上的電壓為Eo，極性上負(fù)下正，等效電路如圖3所示。由電路方程可得

Eo=idt－Eo＋iR

圖3 等效電路

由初始條件t=0時(shí)，i=2Eo/R，解得i=2Eoe－t/RC/R。

電阻R上的消耗功率WR=i2Rdt=2CEo2

即C上的電壓從－Eo→＋Eo變化過程中，R上的功耗為2CEo2。

充電過程結(jié)束最終C上的電壓為Eo，極性反轉(zhuǎn)。一個(gè)周期內(nèi)uAC翻轉(zhuǎn)兩次，R上的總功耗為4CEo2。例如：一個(gè)輸出為48V的整流器，Eo通常約為150V，頻率f取50kHz，電容C取1nF，則R上的功耗WR=4CEo2×f=5W。考慮毛刺的因素實(shí)際值遠(yuǎn)大于此值。顯然，對于大功率高頻率變換器，R上的功耗是相當(dāng)大的。

2 主變壓器二次為橋式整流電路的電壓毛刺無損吸收電路

二次為橋式整流電路如圖4所示。圖中D1，D2，D3，D4為主整流管；D11及D12為毛刺吸收電路專用二極管。Lo與Co為主整流電路中的電感和電容；C為毛刺能量儲(chǔ)存電容。L，S，D組成毛刺能量轉(zhuǎn)換釋放電路。主變壓器中繞組CD和脈沖轉(zhuǎn)換電路一起形成S的開關(guān)控制脈沖ugs，與繞組AB形成固定的相位關(guān)系。繞組AB的電壓uAB波形與S上的驅(qū)動(dòng)脈沖波形示于圖5。

圖4 全橋整流電路與電壓尖峰吸收電路

(a) uAB波形

(b) ugs波形

圖5 uAB與ugs的相位關(guān)系

其吸收原理如下所述。

1）t1－t2時(shí)段 uAB處于高毛刺階段，毛刺最大值比正常值Uo高出ΔU，這時(shí)由D1，D2，D11，D12形成全橋整流電路，對C充電，具體講是D1和D12導(dǎo)通，uAB的毛刺部分將被C所吸收，使uc=Uo＋ΔU。顯然，C越大，ΔU越??；毛刺越高，ΔU越大。

2）t2－t3時(shí)段 uAB="Uo"，D12反偏截止。D1與D4導(dǎo)通，忽略D1與D4上的壓降，UEF=Uo。以E為電壓參考點(diǎn)，UF比UE電位低Uo，記作－Uo；由于UC=UEG=Uo＋ΔUo，則UG比UE低Uo＋ΔU，記作－（Uo＋ΔU）；這樣UFG=UF－UG=ΔU。

由圖5（b）可以看出，在t1－t3時(shí)間段開關(guān)管S被觸發(fā)導(dǎo)通，UFG將使L中的電流逐步上升，使C上高于Uo部分的電壓ΔU的能量逐漸轉(zhuǎn)移到L上，當(dāng)t3時(shí)刻uAB消失，ugs同時(shí)也消失，S截止。L上的能量將通過D向輸出電容Co釋放，形成電壓毛刺的無損吸收。

3）t4－t5時(shí)段 繞組AB之間的電壓反向，此時(shí)D2與D11導(dǎo)通，對C充電，之后的工作過程同t1－t2時(shí)間段。

4）t5－t6時(shí)段 工作過程同t2－t3時(shí)間段。

t7時(shí)刻開始，電路將重復(fù)以上過程。

3 主變壓器二次為雙半波整流電路的電壓毛刺無損吸收電路

二次為雙半波整流電路如圖6所示。為分析方便，仍忽略D1，D2，D3的壓降。顯然uAB的波形、S的驅(qū)動(dòng)脈沖波形與圖5完全一致。其工作過程與橋式整流電路相似，在此不再贅述。

圖6 雙半波整流電路與電壓尖峰吸收電路

4 關(guān)于LC選取的原則

為使上述電壓毛刺無損吸收電路正常工作，在設(shè)計(jì)LC時(shí)注意下述2個(gè)問題：

1）過大的C將會(huì)使整流二極管開機(jī)瞬間沖擊電流增加，過小的C將導(dǎo)致吸收毛刺過程中過大的電壓增量ΔU，因此C要選擇適當(dāng)；

2）過大的L將使C中的ΔU能量無法及時(shí)轉(zhuǎn)移到L中，因?yàn)?Delta;U=Ldi/dt，L過大，將使其中的電流增長速度減慢；L過小，則di/dt過大將使承受的應(yīng)力加大只能選取大電流的開關(guān)管，同時(shí)對向輸出端釋放電感能量的二極管（圖4中的D，圖6中的D4）也提高了容量要求，因此，L的選擇也要適當(dāng)。