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关于RCD吸收电路设计经典文章反激型开关电源的软缓冲技术

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标签: 电源

电源

关于RCD吸收电路设计经典文章反激型开关电源的软缓冲技术

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35
卷第
3
电力电子技术
Vol. 35 , No. 3
                
                
2001
6
Power Electronics
J une ,2001
反激型开关电源的½缓冲技术
林周布
,
张文雄
,
林元尊
(
福州大学
,
福州  
350002)
  
摘要
:
提出一种有别于
RC
缓冲电路的½缓冲电路新技术
,
它结合电流型
PWM
控制
,
利用反激型变换器中的
耦合电感器与外加小容量电容器构成
L C
谐振电路
,
½以高性价比完成关断感性负½½的暂态缓冲
,
并½消除二极管
的反向恢复不良特性 。对此电路进行的分析 、
计算机仿真与实验测试结果½表明该技术可行 。
关键词
:
变换器
;
缓冲
/
反激型
;
开关电源
中图分类号
: TN86
  
文献标识码
:A
  
文章编号
:1000 - 100X ( 2001) 03 - 0024 - 03
imental results verified t hat t he technology is applicable.
1
   
引 言
成本½ 、
可靠性高 、
稳压范围½
,
故许多家用及办公
交流市电的供电质量不良
,
即电压波动范围大 、
电磁
干扰严重
,
以及许多电器工½时负½½变动范围很大
,
室电子电器采用了此种电路 。由于我½许多地区的
因而电器故障中电源所占的比例很高 。一般采用成
本最½的自反激型开关电源电路
,
即振铃型开关电
,
1
即为此类型开关电源主电路图 。由于主控
开关管工½在硬开关状态
,
因此常用较廉价的
RC
型缓冲电路技术
,
减缓开关的过渡过程
,
并将开关管
在开关过渡期间的开关损耗½移至缓冲电路上 。这
关管上的电压尖峰
,
减小开关管的开关损耗
,
扩大开
关管的安全工½区
,
降½开关管的耐压要求
,
在½价
½上保证了电路的工½可靠
,
故不失为一种权宜之
计。
样½然不½提高电路效率
,
½½有效地降½加在开
近年来
,
由于½内外对电子电器的电磁兼容性
要求更高
,
电子电器市场竞争日益激烈
,
在提高产品
基金项目
:
本文受福建省自然科学基金资助
,
项目编号
:A0010007
收稿日期
:2001 - 01 - 16
定稿日期
:2001 - 03 - 28
½者简介
:
林周布
( 1952
2
) ,
,
高级工程师
,
研究方向为
电力电子技术及其应用 。
24
inductor in flyback converter wit h high ratio of performances to cost . The circuit analysis , computer simulation and exper
2
bined wit h current
2
mode PWM control , it can snub t he transient of switching off t he inductive load and remove t he bad
reverse recovery feature of t he diode by t he L C resonant circuit constructed of additional small capacitors and t he coupling
反激型开关电源电路的主要特点是电路简单 、
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
Abstract :A
new technology called soft snubber circuit which is different from RC snubber circuit isproposed. Com
2
Keywords :converter
; snubber/ flyback ; switch
2
mode power supply
The Sof t Snubber Technology f or Flyback Switch
2
mode Po wer Supply
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L IN Zhou
2
bu , ZHAN G Wen
2
xiong , L IN Yuan
2
zun
( Fuz hou U niversity , Fuz hou
350002
, Chi na)
电磁兼容性要求的同时
,
降½生产成本成为生产厂
商½求的目标 。要在½价½上提高产品的电磁兼容
,
就不宜采用价廉的自反激型电路
,
这是由于该电
路的开关频率随工½条件变化而变
,
难以在很½的
工½频率范围下满足电磁兼容性要求 。以图
1
电路
为例
,
½½½时工 ½ 频 率 高 达
200k Hz ,
重 ½½ 时 约 为
60k Hz
。要提高产品电磁兼容性性½
,
就要采用成
本较高的它激式定频反激型电路
,
FL YBAC K
换器技术
[ 1 ]
。½提高产品任½一项成本
,
对½内厂
商来说½是难以接受的 。要弥补这一部分的附加成
,
只有寻找降½电源电路其它方面成本的途径 。
显然最合理的技术手段是降½机内工½损耗
,
提高
电源的工½效率
,
降½元器件参数要求
,
简化电路
,
1
所示的
RCD
RC
尖峰吸收电路
,
½然它可以½
从而间接降½成本 。传统的缓冲电路采用的是如图
功率开关管的耐压要求降½
,
从而½½用价格较½
MOSFET
,
½由于缓冲电路损耗太大
,
发热严
,
需要用大功率电阻
(
如高达
5W)
和高压高频大
容量电容器
,
这又½得机内局部区域温度升高
,
½响
周围半导½器件
,
降½工½可靠性
,
而且还增加了整
机的一部分成本 。因此
,
改善缓冲电路性½
,
是提高
目前½内在这方面的工½分为两大途径 。其一
开关电源效率的最有效 、
合理的技术措½ 。
为改良性方法
[ 2 ]
,
即在传统缓冲技术基础上
,
改变
暂态½量的泄放方式
,
设法将有损耗的缓冲电路改
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反激型开关电源的½缓冲技术
变为无损耗的缓冲电路
;
其二为构造新型的电路拓
,
将硬开关电路改为½开关电路 。前者
[ 3 ]
要附加
二极管 、
功率电感器 、
电容器
,
在传统缓冲电路基础
,
去掉耗½电阻
,
在开关管开通时再将吸收电容器
上的电场½量½换为附加电感器的磁½
,
在下一个
关断阶段将此磁½回馈给输入电压源或负½½
,
以构
成损耗很½的缓冲电路 。其特性类同传统缓冲电
,
只½解决开关关断或开通两个暂态阶段中的一
个阶段的缓冲
,
并且一个暂态阶段缓冲的实现是以
增大另一个暂态阶段的硬开关效应为代价 。若两者
½要实现无损耗的缓冲
,
则电路相½复杂 。此外还
由于½量多次回馈时回馈电流产生附加损耗
,
及对
工½条件的依赖性很强
,
难以在不同工½条件下取
得良½缓冲效果 。为了克服前者缺陷
,
后者利用增
加的辅助电力电子器件 、
功率电感器 、
电容器等构成
辅助有源谐振换流电路
,
选择适½的辅助控制电路
,
½开关管在每个开关暂态过渡期间½工½在零电压
或零电流状态
,
从而在开关关断或开通两个暂态阶
段½½实现开关功率损耗最小 。显然
,
这两种方法
½因增加功率电感器 、
电力电子器件等增大了成本 、
½积 、
重量 。总的来说
[ 4 ]
,
前者代价大
,
效果不够
½
,
后者½然效果优于前者
,
½除了代价更大外
,
因½用了有源½开关电路而增大了电路与控制的复
杂度
,
推广应用受到了很大的限制 。为此
,
寻找性价
比更优越的½开关电路一直是电力电子技术领域的
热门研发课题 。我们运用柔性工程方法提出一种有
别于上述三种电路的½缓冲电路技术
,
它结合电流
PWM
控制
,
½以最简单的无源½缓冲方式 、
最少
附加元器件 、
最½成本代价 、
较少的附加损耗完成对
电子开关高速关断感性负½½的暂态缓冲过程并½消
除输出二极管的反向恢复不良所产生的电路缺陷 。
性负½½
,
故其主要开关缺陷就是在大电流下高速断
开感性负½½以及二极管的反向恢复不良所产生的电
路缺陷 。基于电磁感应定律
,
除了存储在耦合电感
器上的电磁½量被次级负½½电路吸收外
,
仅在断开
(
电子开关管上
)
存在由漏感所产生的磁½
( 0. 5L
L EA K
I
M 2
) ,
假如不被电路吸收
,
则根据
U
L
=
L
L EA K
d
i
/ d
t
,
将激起高电压
,
足以击穿电子开关
,
此需缓冲电路予以有效的吸收 。在满负½½下
,
对图
1
电路
:
L
L EA K
=0. 045mH ,
I
M
= 1. 7A ,
f
= 58. 8k Hz ,
P
L
= 0. 5
L
L EA K
I
M 2
f
= 3. 8W
。此时
,
整机输出约
67W ,
这样仅漏感磁½一项
,
被缓冲电路吸收的
损耗功率就要占输出功率的
5. 67 %
。电子开关在
断开½½流感性负½½时
,
为避免激起高感应电压
,
½½流
感性负½½释放的磁½要用一½阻抗电路吸收掉
,
者用电抗性质相反的电容器来吸收储½
,
½为了保
证开关电路的连续性
,
必须在下一次断开前将此电
容器存储的电场½量释放掉
,
如果将此½½流感性负
½½释放的磁½馈入到与输出电路相并联的一个
L C
谐振½中
,
利用二阶并联谐振特性
,
一方面减缓该电
流源磁½的暂态过程
,
另一方面则利用并联谐振时
具有较高电势将存储的电磁½传递给负½½
,
合适地
控制该电流源强度
,
就½实现最½损耗的暂态½量
释放目的 。在反激型开关电路中
,
耦合电感器就是
这个
L C
谐振½的
L
元件
, C
为外加的电路元件 。
由于高频工½条件
,
为了有效实现谐振储½与放½
,
谐振频率必须高于电路工½频率数倍
,
这样
C
电容
量取值很小
(
数百皮法量值
) ,
½值高压高频电容器
(
用瓷介电容
)
的价格不高
,
采用电流型
PWM
控制
就½合适地控制电流源强度
,
不必增加电子器件
,
整个½缓冲电路的成本很½ 。
2
为加入½缓冲电路的反激型开关电源主电
C
路图 。图中两个电容器
C
2
( 680p F)
4
( 470p F)
即为
½缓冲电路所增加的元件 。由于½用了该项技术
,
缓冲吸收电阻
R
1
从原来的
22k
Ω 增大为
82k
Ω
,
率则从原来的
5W
降为
2W ,
取消了原设计初级
RC
缓冲电路与次级二极管缓冲电路
,
此外缓冲电容器
C
1
的容量由原设计的
10nF
减为
4. 7nF
。耦合电感
器的初级绕组电感量从
0. 955mH
提高到
1. 45mH ,
这样选用的主功率开关管的额定电流从
5A
级降为
4A
级 。新设计采用了固定频率
(
f
= 52k Hz)
的高性
½电流型
PWM
技术 。½然
,
高性½电流型
PWM
技术由于½用集成块而提高了一些成本
,
½½缓冲
技术则比传统缓冲电路的成本降½了不少
,
两者相
,
成本反而略减 。
25
1
 
传统的振铃型反激变换器主电路图
2
 
½缓冲电路原理
对于反激型开关电源
,
由于开关管的负½½为感
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35
卷第
3
电力电子技术
Vol. 35 , No. 3
                
                
2001
6
Power Electronics
J une ,2001
进行了计算机仿真
,
结果分别示于图
4
5
4
 
1
开关管电压 、
电流仿真波½图
2
 
½缓冲
Flyback
变换器主电路图
为了进一步说明图
2
的工½原理
,
将图
2
按照
开通
( t
0
-
t
1
)
导通
( t
1
-
t
2
)
关断
( t
2
-
t
3
)
阻断
( t
3
-
t
4
)
一个开关周期四个开关阶段绘出其等效电
路图如图
3
所示 。
5
 
2
开关管电压 、
电流仿真波½图
对这两种缓冲电路进行了同等条件下的实验
,
结果如下
:
满负½½下
,
交流输入电源电压为
220V
,
变换器开关管
V T
1
的漏2源极电压波½
U
ds
与漏
极电流波½
I
d
分别示于图
6
与图
7
3
 
½缓冲
Flyback
变换器各开关阶段的等效电路图
V T
1
开通时
,
由于
C
4
的½用
,
二极管
VD
2
的关
断为½关断
,
½
C
4
也与
C
2
共同造成容性开通缺陷
;
V T
1
关断时
,
C
4
C
2
共同吸收关断磁½
,
加了缓冲½用 。由于
L C
谐振电路对缓冲½用较强
且可吸收 、
消耗部分谐振½量
,
故耗½电阻
R
1
的½
用减弱
,
可提高其阻值降½其功率 。结合定频电流
型控制
,
可最½设定谐振参数
,
关键是在保证不降½
缓冲效果下½电容
C
2
4
容量最小 。结合电流控制
C
PWM
控制
V T
1
的导通时间
,
½
L C
并联谐振的
部分电磁½量在
V T
1
关断时通过
TX
1
2
½为负
VD
½½吸收的½量
,
故此缓冲方法为部分耗½ 。由于谐
振½化了开关管的开关过渡期间工½点½迹
,
实现
V T
1
关断过程的½性过渡
,
因此所提出½缓冲电
路有别于传统缓冲电路
,
亦有别于½开关电路 。
6
 
1
开关管电压 、
电流测试波½图
7
 
2
开关管电压 、
电流测试波½图
6
对应于传统缓冲电路
,
其中漏极电流波½
I
d
由源极电阻
R
13
( 0 . 1
Ω
)
上的电压波½来½现
,
(
下½第
50
)
3
 
实验验证
对图
1
2
两种不同缓冲电路用
PSPICE
½件
26
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35
卷第
3
电力电子技术
Vol. 35 , No. 3
                
                
2001
6
Power Electronics
J une ,2001
R
s
= 0 . 6 8 7
Ω
,
R
r
= 0 . 8 4 2
Ω
,
L
s
= 8 3 . 9 7 mH ,
L
r
= 85. 28mH ,
M
= 81. 36mH ,
J
= 0. 03N
・ ・
,
T
e
s m
2
= 12Nm ,
n
e
= 1500r/ min
电机启动时通过积分器加上一个
150rad/ s
给定
,
5
秒左右进行弱磁升速
,
速度升至
325rad/
s
。½子在
2
½
3
秒间突加一负½½½矩
,
如图
4
所示 。
线 。图
4c
4d
为电机
a
相电流波½ 。
实验结果表明
,
该系统具有良½的动态和静态
性½
,
并且系统运算稳定 、
可靠
,
具有很½的应用前
景。
参考文献
:
[1 ]
earizing Control of Induction Motors[J ] . IEEE
Trans. on Automat . Contr. , 1993 ,38 ( 2 ) :208
Marino R. et al. Adaptive Input
2
output Lin
2
½
221.
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Control , 1989 ,34 ( 11) :1123
½
1131.
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陈伯时
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徐荫定
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电流滞环控制
PWM
逆变器
异步电动机的非线性解耦控制系统
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½
56.
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陈冲
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½虹等
.
感应电动机的非线性解耦控制
.
电工技术学报
[J ] . 1996 ( 12) :7
½
12.
 
 
 
 
 
 
 
 
  
( a)
速度响应波½
  
( b)
½子磁链响应波½
  
(c) a
相电流响应波½
( 2
½
4s)
  
( d) a
相电流波½
( 4
½
6s)
      
4
 
[5 ]
[6 ]
李序葆
,
赵永健
.
电力电子器件及其应用
[ M ] .
北京
:
机械工业出版社
,1999 :394
½
395.
传动
,1996 ( 6) :18
½
19.
赵金等
.
鼠笼式异步电动机伺服系统
[J ] .
电气
4a
4b
为电机的½速与½子磁链的响应曲
(
上接第
26
)
I
dm
达到
1. 7A
。图
7
对应于½缓冲电路
,
其中漏
极电流波½
I
d
由源极电阻
R
13
( 0. 33
Ω
)
上的电压波
½来½现
,
此时
I
dm
达到
1. 3A
。更有重大意义的是
7
中在最大漏极电流处
,
电流以一定的斜坡下降
,
从而½漏极电流波½与截止态的漏2源极电压波½
错开 。此外
,
由于传统缓冲电路不½消除二极管反
向恢复特性产生的关断漏电效应
,
故在开通时图
6
电流波½叠加了一个较½的高幅值三角电流波
,
7
则只有很窄的高幅值电流尖峰
,
这是开关管的容
性开通缺陷问题
,
由于电容器容量很小
,
故平均损耗
不大 。由计算机仿真与实验结果可知
,
½缓冲电路
的效果确实有效 。
对图
1
与图
2 ,
在同等条件下测试满½½效率结
:
传统缓冲电路为
74 % ;
½缓冲电路为
78 %
。测
试空½½损耗结果
:
1
5. 4W ;
2
3. 4W
而且½以很½的成本 、
最少的附加缓冲元件 、
简单的
电路 、
较少的附加损耗完成对电子开关高速关断感
性负½½的暂态缓冲过程
,
并消除输出二极管反向恢
复不良所产生的电路缺陷 。½然
,
它的缓冲性½不
如½开关电路
,
在开通时的波½不太½
,
½由于储½
式开关变换器的容性开通½量损耗不大
,
故在½价
½的电子电器产品上有其实际应用意义
,
值得推广 。
参考文献
:
[1 ]
[2 ]
[3 ]
4
   
结 论
结合定频电流型
PWM
控制的½缓冲电路在反
激型电感储½式开关变换器的应用是有效的
,
它不
仅克服了传统缓冲电路的缺陷 、
提高了电路的效率
,
[4 ]
50
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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熊熙烈
.
松下
KX
2
F50B
传真机电源维修
[J ] .
无线电
,
1996 ( 10) :30
½
31.
1992.
丁道宏
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电力电子技术
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北京
:
航空工业出版社
,
341.
Chung H. Sh. H. et al. A Zero
2
Current
2
Switching PWM
Flyback Converter wit h a Simple Auxiliaty Switch [ J ] .
IEEE Trans. on Power Electronics , 1999 ,14 ( 2 ) :329
½
Mark K. et al. A Comparison of Voltage
2
Mode Soft
2
Trans. on Power Electronics , 1997 ,12 ( 2) :376
½
386.
Switching Met hods for PWM Converters [ J ] . IEEE
Sastry S. S. et al. Adaptive Control of Lineariz
2
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     I2C总线的结构、工作原理、数据传输方式,讨论了基于I2C总线的多机通信软硬件设计,实现了程控交换多机通信调度指挥系统。I2C(Inter Integrated Circuit)总线是Philips公司开发的一种双向两线主机总线,它能方便地实现芯片间的数据传输与控制。通过两线缓冲接口和内部控制与状态寄存器,可方便地完成多机间的非主从通信或主从通信。基于I2C总线的多机通信电路结构简单、程
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