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電源適配器無損緩沖電路

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電源適配器無損緩沖電路

    對于工作頻率超過50kHz的電源適配器，傳統電源適配器RCD緩沖電路的損耗通常為10W或者更高。這一附加損耗帶來的問題不僅僅是損耗電源適配器本身，還有電源適配器緩沖電阻的大小和所占的位置。實際應用中，選擇功率電阻的功率降額系數為1/2。這樣，10W的電源適配器損耗需要一個20W的電源適配器功率電阻。
    20W的電源適配器功率電阻體型較大，通常其位置的選擇是比較困難的。而且10W的電源適配器損耗使它的溫升會影響周邊元件，這就更難為它選擇一個合適的位置了。
    圖中給出了一種“無損緩沖電路”。雖然它的結構比較復雜，但是為以上問題提供了一個比較好的解決方法。與傳統的RCD緩沖器一樣，電源適配器是通過使用電容減緩晶體管集電極電壓上升速度來達到緩沖目的的。但是它不會通過電阻將電容的電能釋放掉，這樣就避免了能量損耗。
    無損緩沖器將電容C1儲存的靜電能轉化為電流流過電感時產生的電磁能。在下一開關周期開始之前，電源適配器電容和電感通過諧振的形式使電容放電，并將儲存的能量回饋到輸入直流母線。因此，整個過程沒有任何能量損失一首先能量儲存到緩沖電容上，然后無損地回饋到輸入母線上。
   如圖所示，當Q1關斷時，其集電極電壓開始上升，D1導通。C1的緩慢充電減緩了集電極電壓的上升速度。C1下端電壓上升到2V，C1上端電壓被D1鉗位為V，因此電流從變壓器的下端向C1和D流動，從而減級了Q上電壓的變化速度。電容上儲存的能量為0.5C1（Vdc）2。

電源適配器無損緩沖電路。電容C1減緩了Q1集電極電壓的上升速度，當Q1導通時，前半個振蕩周期內儲存在C1的能量轉換為以電感電流形式存在的磁場能量。在后半個振蕩周期，A點電壓變為正，電感將儲能無損地回饋給V當Q1再次開通時，C1下端的電位從2V被拉到地，由于電容兩端電壓不能突變，C1上端的電位變為-V4。這一負壓會加在串聯的L和D2上，使得電容的放電電流可經由D2，從L的下端流向上端。這一過程中產生的振蕩頻率為f=12m√LIC1。在半個振蕩周期后，以電壓形式儲存在電容C1上的靜電能，轉變為以電流形式儲存在電感L1中的電磁能。此時，L1的電流達到其較大值。在下半個振蕩周期，L上端的電壓因諧振升高一倍，使得D1導通，L1中的電流通過D返回輸入母線。如果L是高Q值的電感，則在前半個振蕩周期中儲存的能量將全部在后半個周期返回輸入V。

首先，要選擇足夠大的C1，以保證Q1集電極電壓上升時間滿足需求。然后，電感的選擇應使振蕩周期小于Q1較小導通時間。

負載線整形（減少尖峰電壓以防止晶體管二次擊穿的緩沖器）

除了能夠減緩晶體管電壓的上升速度，緩沖器另一個很重要的優點是減小了晶體管的平均損耗，防止了二次擊穿。當瞬態電壓、電流超出基極反向偏置安全工作區（ RBSOA），將會發生二次擊穿。 RBSOA的數據在晶體管的用戶使用手冊中給出。


15A，450V快速晶體管2N6836的反向偏置安全工作區（ RESOA）。晶體管關斷時變壓器漏感會在一定時間內維持電流（由A到B的漏感尖峰）。如果沒有基極反向電壓偏置，品體管將超出安全工作區，發生二次擊穿而被損壞。RCD緩沖器可以減小開關重疊損耗，同時也可以減小漏感尖峰的幅值。

在晶體管關斷的瞬間，漏感尖峰可能會超出該安全邊界（圖）。晶體管制造商聲稱，僅一次超出邊界都可能引起二次擊穿，造成元件失效。
不借助計算機是不可能對關斷瞬間集電極電壓變化的順序和大小進行確切分析的，但通過下面的近似討論，可以知道問題的嚴重性，和怎樣通過緩沖電容來減小漏感尖峰。
當Q1關斷時，變壓器的漏感可以保持通過Q1的電流短時間內不變。根據上面的假設，近似認為一半的電流是流過正在緩慢關斷的品體管，另一半則流入了緩沖器電容Cl。
在圖中，當Q1關斷時，勵磁電感上的電壓反向，并使得復位繞組N2上的電壓反向。的上端電壓立刻變負，并被D4鉗位到地。因為繞組匝數N，=N，所以L、上的電壓被鉗位到V，A點的電壓升高到21前半個周期的振蕩，即漏感尖峰，疊加在數值為2V的A點電壓上。√／CI為LC電路的特征阻抗，因而增大C1可以使集電極電壓的上升時間變長，同時也可以減小漏感尖峰。
尖峰電流的一半12會流經漏感L、緩沖電容C1和二極管D1，這將引起正弦振蕩，振蕩周期為2m√C1。前半個周期的振幅近似為

基于上述研究，計算漏感尖峰的幅值是非常有意義的。對于在前面充電器廠家：玖琪電源所舉的例子中的100kH變壓器，其感大的為15H則LC電路的特征阻抗為



若Q1關斷之前流過它的峰值電流為3.45A，則漏感尖峰幅值為（3.45/2）x103=178V因此，晶體管承受的的峰值電壓為2V+178=547V。雖然上述計算并非非常精確，但這一漏感尖峰的值足以解釋產生二次擊穿的原因了。
圖中，美規充電器關斷前Q1工作在集電極電壓一電流曲線的A點，電流值為3.45A，電壓值近乎為0V。晶體管關斷時，它的負載線軌跡為ABCD。關斷瞬時漏感維持總電流大小不變，但是原先流過晶體管Q1的電流1的一半流向C1，剩下的1。73A的電流仍流過Q1。品體管集電極電壓一電流工作點沿著AB軌跡線水平移動。在B點，電流仍然為1。73A，而電壓為547V。短暫的漏感尖峰持續時間后，集電極電壓恢復到2V，直到磁心復位之后，集電極電壓才恢復到V，并保持到下一次導通之前（見圖）。由圖可知，如果關斷時晶體管上有5V反向電壓，則547V，1.73A時晶體管仍工作在 RBSOA曲線內，二次擊穿是不會發生的。如果不在基極加反向電壓，晶體管工作狀態就會超越 RBSOA曲線，就有可能二次擊穿。
因此，雖然緩沖電容的首要作用是延長集電極電壓的上升時間，但還需要選擇比式計算出來的值大的電容來減小漏感尖峰。當電源適配器輸出功率較大時，即使有5V的基極反向驅動來加速關斷，但由于關斷負載曲線水平部分的電流很大，漏感尖峰仍然可能超出RBSOA曲線。這就更需要容值更高的緩沖電容。


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| 發布時間：2019.04.02    來源：電源適配器廠家
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