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电源适配器无损缓冲电路

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电源适配器无损缓冲电路

    对于工作频率超过50kHz的电源适配器,传统电源适配器RCD缓冲电路的损耗通常为10W或者更高。这一附加损耗带来的问题不仅仅是损耗电源适配器本身,还有电源适配器缓冲电阻的大小和所占的位置。实际应用中,选择功率电阻的功率降额系数为1/2。这样,10W的电源适配器损耗需要一个20W的电源适配器功率电阻。
    20W的电源适配器功率电阻体型较大,通常其位置的选择是比较困难的。而且10W的电源适配器损耗使它的温升会影响周边元件,这就更难为它选择一个合适的位置了。
    图中给出了一种“无损缓冲电路”。虽然它的结构比较复杂,但是为以上问题提供了一个比较好的解决方法。与传统的RCD缓冲器一样,电源适配器是通过使用电容减缓晶体管集电极电压上升速度来达到缓冲目的的。但是它不会通过电阻将电容的电能释放掉,这样就避免了能量损耗。
    无损缓冲器将电容C1储存的静电能转化为电流流过电感时产生的电磁能。在下一开关周期开始之前,电源适配器电容和电感通过谐振的形式使电容放电,并将储存的能量回馈到输入直流母线。因此,整个过程没有任何能量损失一首先能量储存到缓冲电容上,然后无损地回馈到输入母线上。
   如图所示,当Q1关断时,其集电极电压开始上升,D1导通。C1的缓慢充电减缓了集电极电压的上升速度。C1下端电压上升到2V,C1上端电压被D1钳位为V,因此电流从变压器的下端向C1和D流动,从而减级了Q上电压的变化速度。电容上储存的能量为0.5C1(Vdc)2。

电源适配器无损缓冲电路。电容C1减缓了Q1集电极电压的上升速度,当Q1导通时,前半个振荡周期内储存在C1的能量转换为以电感电流形式存在的磁场能量。在后半个振荡周期,A点电压变为正,电感将储能无损地回馈给V当Q1再次开通时,C1下端的电位从2V被拉到地,由于电容两端电压不能突变,C1上端的电位变为-V4。这一负压会加在串联的L和D2上,使得电容的放电电流可经由D2,从L的下端流向上端。这一过程中产生的振荡频率为f=12m√LIC1。在半个振荡周期后,以电压形式储存在电容C1上的静电能,转变为以电流形式储存在电感L1中的电磁能。此时,L1的电流达到其最大值。在下半个振荡周期,L上端的电压因谐振升高一倍,使得D1导通,L1中的电流通过D返回输入母线。如果L是高Q值的电感,则在前半个振荡周期中储存的能量将全部在后半个周期返回输入V。

首先,要选择足够大的C1,以保证Q1集电极电压上升时间满足需求。然后,电感的选择应使振荡周期小于Q1最小导通时间。

负载线整形(减少尖峰电压以防止晶体管二次击穿的缓冲器)

除了能够减缓晶体管电压的上升速度,缓冲器另一个很重要的优点是减小了晶体管的平均损耗,防止了二次击穿。当瞬态电压、电流超出基极反向偏置安全工作区( RBSOA),将会发生二次击穿。 RBSOA的数据在晶体管的用户使用手册中给出。


15A,450V快速晶体管2N6836的反向偏置安全工作区( RESOA)。晶体管关断时变压器漏感会在一定时间内维持电流(由A到B的漏感尖峰)。如果没有基极反向电压偏置,品体管将超出安全工作区,发生二次击穿而被损坏。RCD缓冲器可以减小开关重叠损耗,同时也可以减小漏感尖峰的幅值。

在晶体管关断的瞬间,漏感尖峰可能会超出该安全边界(图)。晶体管制造商声称,仅一次超出边界都可能引起二次击穿,造成元件失效。
不借助计算机是不可能对关断瞬间集电极电压变化的顺序和大小进行确切分析的,但通过下面的近似讨论,可以知道问题的严重性,和怎样通过缓冲电容来减小漏感尖峰。
当Q1关断时,变压器的漏感可以保持通过Q1的电流短时间内不变。根据上面的假设,近似认为一半的电流是流过正在缓慢关断的品体管,另一半则流入了缓冲器电容Cl。
在图中,当Q1关断时,励磁电感上的电压反向,并使得复位绕组N2上的电压反向。的上端电压立刻变负,并被D4钳位到地。因为绕组匝数N,=N,所以L、上的电压被钳位到V,A点的电压升高到21前半个周期的振荡,即漏感尖峰,叠加在数值为2V的A点电压上。√/CI为LC电路的特征阻抗,因而增大C1可以使集电极电压的上升时间变长,同时也可以减小漏感尖峰。
尖峰电流的一半12会流经漏感L、缓冲电容C1和二极管D1,这将引起正弦振荡,振荡周期为2m√C1。前半个周期的振幅近似为

基于上述研究,计算漏感尖峰的幅值是非常有意义的。对于在前面充电器厂家:玖琪电源所举的例子中的100kH变压器,其感大的为15H则LC电路的特征阻抗为



若Q1关断之前流过它的峰值电流为3.45A,则漏感尖峰幅值为(3.45/2)x103=178V因此,晶体管承受的的峰值电压为2V+178=547V。虽然上述计算并非非常精确,但这一漏感尖峰的值足以解释产生二次击穿的原因了。
图中,美规充电器关断前Q1工作在集电极电压一电流曲线的A点,电流值为3.45A,电压值近乎为0V。晶体管关断时,它的负载线轨迹为ABCD。关断瞬时漏感维持总电流大小不变,但是原先流过晶体管Q1的电流1的一半流向C1,剩下的1。73A的电流仍流过Q1。品体管集电极电压一电流工作点沿着AB轨迹线水平移动。在B点,电流仍然为1。73A,而电压为547V。短暂的漏感尖峰持续时间后,集电极电压恢复到2V,直到磁心复位之后,集电极电压才恢复到V,并保持到下一次导通之前(见图)。由图可知,如果关断时晶体管上有5V反向电压,则547V,1.73A时晶体管仍工作在 RBSOA曲线内,二次击穿是不会发生的。如果不在基极加反向电压,晶体管工作状态就会超越 RBSOA曲线,就有可能二次击穿。
因此,虽然缓冲电容的首要作用是延长集电极电压的上升时间,但还需要选择比式计算出来的值大的电容来减小漏感尖峰。当电源适配器输出功率较大时,即使有5V的基极反向驱动来加速关断,但由于关断负载曲线水平部分的电流很大,漏感尖峰仍然可能超出RBSOA曲线。这就更需要容值更高的缓冲电容。



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| 发布时间:2019.04.02    来源:电源适配器厂家
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