轉(zhuǎn)換器中吸收電路的作用
發(fā)布時(shí)間:2008/10/7 0:00:00 訪問次數(shù):1075
在轉(zhuǎn)換器中的各種開關(guān)器件(如功率開關(guān)管、快速恢復(fù)二極管等)在開通(turn-on)和關(guān)斷(turn-off)的過程中,開關(guān)器件要承受較大的du/dt或di/dt,由于電路寄生參數(shù)l、c的存在,使開關(guān)器件因承受過高的電壓或過大的電流(或稱開關(guān)浪涌,switching。螅酰颍纾澹┒鴵p壞。為此,應(yīng)該加入吸收電路(snubber。悖椋颍悖酰椋,簡(jiǎn)稱snubber)以限制或減。洌酰洌艋颍洌椋洌簟⒔档烷_關(guān)器件上的電壓或電流峰值,限制或減少開關(guān)器件在開和關(guān)的過程中產(chǎn)生的開關(guān)損耗,以避免器件的熱損壞。
為了說明吸收電路的作用,先看一組試驗(yàn)結(jié)果。一個(gè)rc電路用igbt做開關(guān)進(jìn)行控制,如圖4-1所示。在igbt的兩端并聯(lián)-個(gè)吸收電路(如rcd網(wǎng)絡(luò)),試驗(yàn)時(shí)的負(fù)載條件如下:①r=220ω,l=1μh;②r=40ω,l=15μh,分別測(cè)得igbt關(guān)斷時(shí)承受的電壓波形。
圖1
圖2(a)、(c)為不加吸收電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖2(b)、(d)為igbt并聯(lián)接入吸收電路后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較圖2(a)、(b)可見,加人吸收電路后可以降低或消除igbt關(guān)斷時(shí)承受的電壓尖峰,將開關(guān)器件上的電壓鉗位在一定的數(shù)值內(nèi)。因此,圖1中與igbt并聯(lián)的吸收電路也有人稱為鉗位電路(clamp)。當(dāng)增大負(fù)載電感、減少負(fù)載阻尼時(shí),不加吸收電路,igbt關(guān)斷時(shí)承受的電壓尖峰將高達(dá)520 v,且伴隨產(chǎn)生振蕩,如圖2(c)所示;加入吸收電路后,igbt關(guān)斷電壓尖峰僅為140 v,振蕩幅度和次數(shù)也下降了,如圖2(d)所示。
圖2
在圖1所示的電路中只有一個(gè)igbt開關(guān)管,沒有其他的開關(guān)二極管。但對(duì)于開關(guān)電源中的pwm。洌悖洌戕D(zhuǎn)換器來說,還應(yīng)考慮其他開關(guān)二極管的動(dòng)作對(duì)主開關(guān)管開關(guān)過程的影響。下面以buck轉(zhuǎn)換器為例,分析不加吸收電路時(shí)器件開關(guān)過程的電壓與電流的變化。假定在開關(guān)過程中電壓或電流按線性變化,即du/dt或di/dt為常數(shù),實(shí)際電路中開關(guān)過程的電壓或電流是非線性變化的。
圖3給出了buck轉(zhuǎn)換器的等效電路,其中uv、iv分別為開關(guān)管上的電壓和電流;ui為直流輸入電壓,輸出的lc濾波器用等效電流源io代替。
圖4(a)、(b)分別給出了開關(guān)管關(guān)斷時(shí)uv、iv和關(guān)斷功耗p=uv·iv曲線。設(shè)t=0時(shí),開關(guān)管v開始關(guān)斷,開關(guān)管兩端的電壓uv上升。當(dāng)uv=ui時(shí),二極管d開通,iv才開始下降(假設(shè)也是按線性變化的)。直到t=tf時(shí),iv=0,開關(guān)管才完全“斷開”。在關(guān)斷過程中,開關(guān)管的關(guān)斷功耗p=uv·iv為三角形,面積就代表關(guān)斷能耗w。開關(guān)管的電壓上升越陡,即du/dt越大,則圖4(b)中p三角形的面積越大,關(guān)斷功耗越嚴(yán)重。加人吸收電路后就可以降低du/dt,使p三角形面積減小,從而也就降低了開關(guān)管的關(guān)斷能耗。
同理,開通過程可分析如下:圖4(c)、(d)分別給出了開關(guān)管開通時(shí)uv、iv及開通功耗p=uv·iv曲線。當(dāng)t=0時(shí),開關(guān)管v開通,電流iv上升,達(dá)到i。后二極管d關(guān)斷,uv下降,在t=tr時(shí),uv=0,開關(guān)管完全導(dǎo)通。功耗p呈三角形。
圖5表示開關(guān)晶體管的安全工作區(qū)(sage。铮穑澹颍幔簦椋铮睢。幔颍澹,soa)及其開關(guān)軌跡,soa受開關(guān)器件最大允許電流、最大允許電壓、最大允許功率等限制。圖5(a)是根據(jù)圖4(a)的波形分析描繪出來的開關(guān)軌跡,即無吸收電路時(shí),開關(guān)管在關(guān)斷過程中uv一iv變化的軌跡是:一開始,電壓由零增加,電流iv=io,開關(guān)軌跡為一條水平線;在uv=ui時(shí),電流由io下降到零,開關(guān)軌跡為垂直線。由圖5(a)可見,在不加吸收電路時(shí),開關(guān)管的電流、電壓可能超出soa。開關(guān)軌跡與坐標(biāo)軸所包圍的面積就代表開關(guān)管的關(guān)斷功耗。
圖5(b)給了有吸收電路時(shí)開關(guān)管的開關(guān)軌跡uv-iv。關(guān)斷或開通兩條軌跡均在soa內(nèi),與圖5(a)相比,坐標(biāo)軸與開關(guān)軌跡所包圍的面積大大減小,這就說明有吸收電路時(shí)可以減小開關(guān)管的開關(guān)功耗。
綜上所述,pwm。洌悖洌戕D(zhuǎn)換器中吸收電路的主要作用如下:
(1)將開關(guān)管的電壓、電流和功耗限制在安全工作區(qū)域(soa)以內(nèi)。
。ǎ玻┍WC開關(guān)管在開、關(guān)過程中du/dt、di/dt足夠小,限制開關(guān)管上的
在轉(zhuǎn)換器中的各種開關(guān)器件(如功率開關(guān)管、快速恢復(fù)二極管等)在開通(turn-on)和關(guān)斷(turn-off)的過程中,開關(guān)器件要承受較大的du/dt或di/dt,由于電路寄生參數(shù)l、c的存在,使開關(guān)器件因承受過高的電壓或過大的電流(或稱開關(guān)浪涌,switching。螅酰颍纾澹┒鴵p壞。為此,應(yīng)該加入吸收電路(snubber。悖椋颍悖酰椋簦(jiǎn)稱snubber)以限制或減。洌酰洌艋颍洌椋洌、降低開關(guān)器件上的電壓或電流峰值,限制或減少開關(guān)器件在開和關(guān)的過程中產(chǎn)生的開關(guān)損耗,以避免器件的熱損壞。
為了說明吸收電路的作用,先看一組試驗(yàn)結(jié)果。一個(gè)rc電路用igbt做開關(guān)進(jìn)行控制,如圖4-1所示。在igbt的兩端并聯(lián)-個(gè)吸收電路(如rcd網(wǎng)絡(luò)),試驗(yàn)時(shí)的負(fù)載條件如下:①r=220ω,l=1μh;②r=40ω,l=15μh,分別測(cè)得igbt關(guān)斷時(shí)承受的電壓波形。
圖1
圖2(a)、(c)為不加吸收電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖2(b)、(d)為igbt并聯(lián)接入吸收電路后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較圖2(a)、(b)可見,加人吸收電路后可以降低或消除igbt關(guān)斷時(shí)承受的電壓尖峰,將開關(guān)器件上的電壓鉗位在一定的數(shù)值內(nèi)。因此,圖1中與igbt并聯(lián)的吸收電路也有人稱為鉗位電路(clamp)。當(dāng)增大負(fù)載電感、減少負(fù)載阻尼時(shí),不加吸收電路,igbt關(guān)斷時(shí)承受的電壓尖峰將高達(dá)520。,且伴隨產(chǎn)生振蕩,如圖2(c)所示;加入吸收電路后,igbt關(guān)斷電壓尖峰僅為140 v,振蕩幅度和次數(shù)也下降了,如圖2(d)所示。
圖2
在圖1所示的電路中只有一個(gè)igbt開關(guān)管,沒有其他的開關(guān)二極管。但對(duì)于開關(guān)電源中的pwm。洌悖洌戕D(zhuǎn)換器來說,還應(yīng)考慮其他開關(guān)二極管的動(dòng)作對(duì)主開關(guān)管開關(guān)過程的影響。下面以buck轉(zhuǎn)換器為例,分析不加吸收電路時(shí)器件開關(guān)過程的電壓與電流的變化。假定在開關(guān)過程中電壓或電流按線性變化,即du/dt或di/dt為常數(shù),實(shí)際電路中開關(guān)過程的電壓或電流是非線性變化的。
圖3給出了buck轉(zhuǎn)換器的等效電路,其中uv、iv分別為開關(guān)管上的電壓和電流;ui為直流輸入電壓,輸出的lc濾波器用等效電流源io代替。
圖4(a)、(b)分別給出了開關(guān)管關(guān)斷時(shí)uv、iv和關(guān)斷功耗p=uv·iv曲線。設(shè)t=0時(shí),開關(guān)管v開始關(guān)斷,開關(guān)管兩端的電壓uv上升。當(dāng)uv=ui時(shí),二極管d開通,iv才開始下降(假設(shè)也是按線性變化的)。直到t=tf時(shí),iv=0,開關(guān)管才完全“斷開”。在關(guān)斷過程中,開關(guān)管的關(guān)斷功耗p=uv·iv為三角形,面積就代表關(guān)斷能耗w。開關(guān)管的電壓上升越陡,即du/dt越大,則圖4(b)中p三角形的面積越大,關(guān)斷功耗越嚴(yán)重。加人吸收電路后就可以降低du/dt,使p三角形面積減小,從而也就降低了開關(guān)管的關(guān)斷能耗。
同理,開通過程可分析如下:圖4(c)、(d)分別給出了開關(guān)管開通時(shí)uv、iv及開通功耗p=uv·iv曲線。當(dāng)t=0時(shí),開關(guān)管v開通,電流iv上升,達(dá)到i。后二極管d關(guān)斷,uv下降,在t=tr時(shí),uv=0,開關(guān)管完全導(dǎo)通。功耗p呈三角形。
圖5表示開關(guān)晶體管的安全工作區(qū)(sage。铮穑澹颍幔簦椋铮睢。幔颍澹,soa)及其開關(guān)軌跡,soa受開關(guān)器件最大允許電流、最大允許電壓、最大允許功率等限制。圖5(a)是根據(jù)圖4(a)的波形分析描繪出來的開關(guān)軌跡,即無吸收電路時(shí),開關(guān)管在關(guān)斷過程中uv一iv變化的軌跡是:一開始,電壓由零增加,電流iv=io,開關(guān)軌跡為一條水平線;在uv=ui時(shí),電流由io下降到零,開關(guān)軌跡為垂直線。由圖5(a)可見,在不加吸收電路時(shí),開關(guān)管的電流、電壓可能超出soa。開關(guān)軌跡與坐標(biāo)軸所包圍的面積就代表開關(guān)管的關(guān)斷功耗。
圖5(b)給了有吸收電路時(shí)開關(guān)管的開關(guān)軌跡uv-iv。關(guān)斷或開通兩條軌跡均在soa內(nèi),與圖5(a)相比,坐標(biāo)軸與開關(guān)軌跡所包圍的面積大大減小,這就說明有吸收電路時(shí)可以減小開關(guān)管的開關(guān)功耗。
綜上所述,pwm。洌悖洌戕D(zhuǎn)換器中吸收電路的主要作用如下:
。ǎ保⿲㈤_關(guān)管的電壓、電流和功耗限制在安全工作區(qū)域(soa)以內(nèi)。
。ǎ玻┍WC開關(guān)管在開、關(guān)過程中du/dt、di/dt足夠小,限制開關(guān)管上的
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