一種新型的全橋電路副邊過(guò)壓抑制辦法

徐凌宇,董文婷,孫培德

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201600)

一種新型的全橋電路副邊過(guò)壓抑制辦法

徐凌宇,董文婷,孫培德

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201600)

由全橋移相電路出發(fā)，為解決副邊整流電路存在的浪涌電壓，研究了副邊整流二極管關(guān)斷時(shí)過(guò)電壓的產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)二極管關(guān)斷過(guò)程的分析，提出使用可控飽和電感來(lái)抑制二極管反向恢復(fù)電流，達(dá)到抑制副邊震蕩，使二極管不會(huì)承受因震蕩而產(chǎn)生的過(guò)壓。

整流二極管；反向恢復(fù)電流；可控飽和電感

0 引言

全橋移相變換器是一種常見(jiàn)的軟開關(guān)變換器，其利用開關(guān)管的寄生電容與變壓器存在的漏感實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，提高了變換器效率，在大功率場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。但由于副邊整流二極管的關(guān)斷過(guò)程會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，使二極管寄生電容與電路中雜散電感產(chǎn)生振蕩與過(guò)壓，會(huì)造成大量功率損耗[1]，也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾。為了解決這個(gè)問(wèn)題本文定量地分析了二極管反向恢復(fù)過(guò)程與過(guò)壓產(chǎn)生原因，并提出一種有效的抑制辦法。

1 整流管過(guò)壓的產(chǎn)生

1.1 反向恢復(fù)電流

本文對(duì)全橋移相電路副邊過(guò)二極管換流階段進(jìn)行單獨(dú)分析，對(duì)于其他階段不再贅述。實(shí)際中二極管的關(guān)斷是在承受反向電壓后瞬間關(guān)斷的，由于二極管PN結(jié)電容的存在，使二極管關(guān)斷經(jīng)歷了如圖1所示的過(guò)程：(1)開始關(guān)斷時(shí)刻為t0，反向電壓加在二極管兩端，電流不能馬上減到零，而是正向逐漸減小，t1時(shí)刻電流減為零；(2)由于受反向電壓作用， PN結(jié)電容開始充電，反向電流增大，t2時(shí)刻達(dá)到最大值IRP；(3)反向電流由最大值逐漸減為零，t3時(shí)刻完成反向恢復(fù)過(guò)程[2]。

圖1 二極管關(guān)斷過(guò)渡過(guò)程(IL為二極管導(dǎo)通電流；URP為二極管反向恢復(fù)尖峰電壓)

1.2 電壓尖峰產(chǎn)生機(jī)理

設(shè)反向電壓為US，雜散電感為L(zhǎng)S，DR為理想二極管，CDR為等效結(jié)電容，二極管反向恢復(fù)等效電路如圖2所示。

圖2 二極管反向恢復(fù)等效電路拓?fù)?/p>

由圖2知，t0時(shí)刻加反向電壓US，電流開始正向下降，此時(shí)UDR=0(UDR為二極管兩端電壓)，通常認(rèn)為t0～t2段電流變化速率恒定為di1/dt(i1為t0～t2段反向恢復(fù)電流負(fù)向增大過(guò)程中恢復(fù)電流的瞬時(shí)值),故式(1)成立：

(1)

式中，ULS為雜散電感電壓；t2時(shí)刻電流變化速率為零，反向電流有最大值IRP，二極管此時(shí)承受電壓為US。t2～t3段反向電流開始下降，電流變化速率變?yōu)檎礵i2/dt(i2為t2～t3段反向恢復(fù)電流負(fù)向減小過(guò)程中恢復(fù)電流的瞬時(shí)值),一般認(rèn)為這階段電流變化速率是變化的。LS上感應(yīng)電壓方向改變，變成左端負(fù)右端正，與電源電壓疊加，使二極管反向過(guò)壓。此階段電路中存在這樣的關(guān)系：

(2)

當(dāng)反向電流變化速率達(dá)到最大值時(shí)，二極管上反向電壓會(huì)有峰值，此時(shí)：

(3)

式中:K為軟度。

由式(1)、(2)、(3)得：

UDR=(1+K)US

(4)

二極管承受的過(guò)壓值可達(dá)到反向電壓的(1+K)倍。

2 新型的過(guò)壓抑制辦法

2.1 副邊損耗抑制辦法

隨著軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源的高效性有了更高的要求，而全橋移相副邊整流二極管關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓會(huì)產(chǎn)生大量功率損耗。因此抑制這一過(guò)程是很有必要的。一種思路是用軟度K較小的快恢復(fù)二極管；另一種是通過(guò)增加輔助電路來(lái)抑制或者吸收損耗。通常采用RCD吸收網(wǎng)絡(luò)，但在大功率情況下，對(duì)吸收電阻的功率要求較大，導(dǎo)致電路過(guò)于笨重，且損耗了能量；另一種是采用能量無(wú)源回饋電路，這種方式電路比較復(fù)雜，成本較高。為此，本文提出一種更具實(shí)際意義的副邊開關(guān)損耗抑制策略——整流二極管串聯(lián)可控飽和電感。

飽和電感是一種具有明顯磁飽和點(diǎn)的電感，它起始磁導(dǎo)率高，矯頑力小，磁滯回線矩形比高。將其與整流二極管串聯(lián)時(shí)，可以有效抑制二極管反向恢復(fù)過(guò)程。

2.2 可控飽和電感設(shè)計(jì)

圖3 可控飽和電感磁滯回線

圖3為可控飽和電感的磁滯回線，其工作過(guò)程為：整流管正向?qū)〞r(shí)其工作在a點(diǎn)飽和狀態(tài)，具有很低的電感量；當(dāng)整流管承受反向電壓時(shí)，可控飽和電感很快到達(dá)b點(diǎn)退飽和，此時(shí)整流二極管正向電流降為零；之后整流二極管電流反向增大，由于可控飽和電感此時(shí)具有很大的電感量，可以有效抑制過(guò)壓產(chǎn)生。整個(gè)過(guò)程中可控飽和電感不會(huì)工作在c點(diǎn)處，而是留在了反向剩磁點(diǎn)d處，當(dāng)整流管再次導(dǎo)通時(shí)，電感磁化進(jìn)入再次循環(huán)[3]。

為了抑制反向恢復(fù)過(guò)程，二極管應(yīng)該滿足式(5)的伏秒特性：

NΔBS≥πtrrUS

(5)

式中：N為線圈匝數(shù)，S為磁芯截面積，πtrr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間近似值,US為反向電壓。

在實(shí)際中，還要考慮輸出電流大小和繞線的電流密度等因素，得：

(6)

式中，F(xiàn)Cu為銅線填充系數(shù)，對(duì)于繞線磁芯電感，取FCu=0.3～0.4；對(duì)于銅線徑磁芯電感，F(xiàn)Cu=1；J為銅線電流密度；IL為輸出電流。

可控飽和電感線徑應(yīng)滿足：

(7)

對(duì)于磁芯要求有高的矩形比、較小矯頑力，同時(shí)還要求高頻損耗低。以往可控飽和電感磁芯選用鈷基非晶材料基本滿足飽和電感對(duì)磁性的要求，但是這種磁芯會(huì)在Bm>0.7T(Bm為磁通密度峰值)時(shí)因磁飽和而造成很大的鐵芯損耗,而且鈷基非晶合金價(jià)格較貴是同體積鐵基超微晶的4倍。因此選用性能更好的鐵基超微晶合金磁芯[4]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證可控飽和電感對(duì)副邊二極管關(guān)斷時(shí)的尖峰抑制作用，設(shè)計(jì)一個(gè)700 W/60 A移相全橋變換器：輸入額定電壓為200 V，輸出額定電壓為11.8 V，開關(guān)頻率為20 kHz，變壓器原副邊匝數(shù)比n12=5。未加可控飽和電感時(shí)，副邊兩個(gè)整流二極管分別在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓尖峰，如圖4所示，可見(jiàn)過(guò)壓在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生，其最大峰值約為變壓器副邊電壓的1.6倍。加入可控飽和電感后，副邊二極管電壓波形如圖5所示，可見(jiàn)整流二極管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰消失了，振蕩被成功抑制。

圖4 無(wú)飽和電感副邊整流二極管上電壓波形

圖5 加入飽和電感副邊整流二極管上電壓波形

4 結(jié)論

由全橋移相電路出發(fā)，研究了整流二極管關(guān)斷時(shí)過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理。提出了一種使用可控飽和電感來(lái)抑制副邊存在的過(guò)壓和振蕩的方法。本文結(jié)合數(shù)學(xué)推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

(1)二極管關(guān)斷時(shí)存在反向恢復(fù)電流，使二極管寄生電容與電路中雜散電感間產(chǎn)生振蕩，造成過(guò)電壓，產(chǎn)生了額外損耗，直接影響了軟開關(guān)設(shè)備的效率。

(2)使用可控飽和電感抑制二極管反向恢復(fù)電流從而抑制過(guò)電壓與振蕩的產(chǎn)生，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可行性與有效性。

[1] 胡進(jìn), 呂征宇. 抑制功率二極管反向恢復(fù)幾種方案的比較[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2004，7(8):476-479.

[2] 周乃沖, 孫明, 黃建芹. 快速二極管反向恢復(fù)軟度與反向恢復(fù)過(guò)電壓[J]. 電力電子技術(shù), 1997，31(1):85-87.

[3] 徐平凡, 丘東元, 張波,等. ZVS全橋變換器尖峰抑制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù), 2008, 42(7):59-61.

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A new method for the suppression of the side voltage of the FB-PS circuit

Xu Lingyu，Dong Wenting，Sun Peide

(School of Information Science and Technology, Donghua University ,Shanghai 201600, China)

The commutation process of the auxiliary side of the full bridge phase shifting circuit is briefly analyzed.In order to solve the surge voltage of the secondary side rectifier circuit, the generation mechanism of over voltage is studied. Through the analysis of the diode shutdown process, the controllable saturable inductor is proposed to suppress the diode reverse recovery current, which can suppress the side LC oscillation, so that the diode can not withstand the overvoltage caused by the shock.

rectifier diode; reverse recovery current; controllable saturable inductor

TM474

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.012

徐凌宇,董文婷,孫培德. 一種新型的全橋電路副邊過(guò)壓抑制辦法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(1)：38-39,43.

2016-09-11)

徐凌宇(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：新型電力電子與電力傳動(dòng)裝置。E-mail: kun1934@163.com。

董文婷(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：交流多單元伺服或變頻控制、新型電源及能量傳遞方法。