一種新型的全橋電路副邊過壓抑制辦法

徐凌宇,董文婷,孫培德

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201600)

一種新型的全橋電路副邊過壓抑制辦法

徐凌宇,董文婷,孫培德

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201600)

由全橋移相電路出發，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斷時過電壓的產生，通過對二極管關斷過程的分析，提出使用可控飽和電感來抑制二極管反向恢復電流，達到抑制副邊震蕩，使二極管不會承受因震蕩而產生的過壓。

整流二極管；反向恢復電流；可控飽和電感

0 引言

全橋移相變換器是一種常見的軟開關變換器，其利用開關管的寄生電容與變壓器存在的漏感實現軟開關，減小了開關損耗，提高了變換器效率，在大功率場合被廣泛應用。但由于副邊整流二極管的關斷過程會產生反向恢復電流，使二極管寄生電容與電路中雜散電感產生振蕩與過壓，會造成大量功率損耗[1]，也會帶來嚴重的電磁干擾。為了解決這個問題本文定量地分析了二極管反向恢復過程與過壓產生原因，并提出一種有效的抑制辦法。

1 整流管過壓的產生

1.1 反向恢復電流

本文對全橋移相電路副邊過二極管換流階段進行單獨分析，對于其他階段不再贅述。實際中二極管的關斷是在承受反向電壓后瞬間關斷的，由于二極管PN結電容的存在，使二極管關斷經歷了如圖1所示的過程：(1)開始關斷時刻為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時刻電流減為零；(2)由于受反向電壓作用， PN結電容開始充電，反向電流增大，t2時刻達到最大值IRP；(3)反向電流由最大值逐漸減為零，t3時刻完成反向恢復過程[2]。

圖1 二極管關斷過渡過程(IL為二極管導通電流；URP為二極管反向恢復尖峰電壓)

1.2 電壓尖峰產生機理

設反向電壓為US，雜散電感為LS，DR為理想二極管，CDR為等效結電容，二極管反向恢復等效電路如圖2所示。

圖2 二極管反向恢復等效電路拓撲

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

(1)

式中，ULS為雜散電感電壓；t2時刻電流變化速率為零，反向電流有最大值IRP，二極管此時承受電壓為US。t2～t3段反向電流開始下降，電流變化速率變為正值di2/dt(i2為t2～t3段反向恢復電流負向減小過程中恢復電流的瞬時值),一般認為這階段電流變化速率是變化的。LS上感應電壓方向改變，變成左端負右端正，與電源電壓疊加，使二極管反向過壓。此階段電路中存在這樣的關系：

(2)

當反向電流變化速率達到最大值時，二極管上反向電壓會有峰值，此時：

(3)

式中:K為軟度。

由式(1)、(2)、(3)得：

UDR=(1+K)US

(4)

二極管承受的過壓值可達到反向電壓的(1+K)倍。

2 新型的過壓抑制辦法

2.1 副邊損耗抑制辦法

隨著軟開關技術的發展，對開關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斷時的過壓會產生大量功率損耗。因此抑制這一過程是很有必要的。一種思路是用軟度K較小的快恢復二極管；另一種是通過增加輔助電路來抑制或者吸收損耗。通常采用RCD吸收網絡，但在大功率情況下，對吸收電阻的功率要求較大，導致電路過于笨重，且損耗了能量；另一種是采用能量無源回饋電路，這種方式電路比較復雜，成本較高。為此，本文提出一種更具實際意義的副邊開關損耗抑制策略——整流二極管串聯可控飽和電感。

飽和電感是一種具有明顯磁飽和點的電感，它起始磁導率高，矯頑力小，磁滯回線矩形比高。將其與整流二極管串聯時，可以有效抑制二極管反向恢復過程。

2.2 可控飽和電感設計

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，其工作過程為：整流管正向導通時其工作在a點飽和狀態，具有很低的電感量；當整流管承受反向電壓時，可控飽和電感很快到達b點退飽和，此時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具有很大的電感量，可以有效抑制過壓產生。整個過程中可控飽和電感不會工作在c點處，而是留在了反向剩磁點d處，當整流管再次導通時，電感磁化進入再次循環[3]。

為了抑制反向恢復過程，二極管應該滿足式(5)的伏秒特性：

NΔBS≥πtrrUS

(5)

式中：N為線圈匝數，S為磁芯截面積，πtrr為二極管反向恢復時間近似值,US為反向電壓。

在實際中，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，FCu為銅線填充系數，對于繞線磁芯電感，取FCu=0.3～0.4；對于銅線徑磁芯電感，FCu=1；J為銅線電流密度；IL為輸出電流。

可控飽和電感線徑應滿足：

(7)

對于磁芯要求有高的矩形比、較小矯頑力，同時還要求高頻損耗低。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磁性的要求，但是這種磁芯會在Bm>0.7T(Bm為磁通密度峰值)時因磁飽和而造成很大的鐵芯損耗,而且鈷基非晶合金價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 實驗驗證

為了驗證可控飽和電感對副邊二極管關斷時的尖峰抑制作用，設計一個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，開關頻率為20 kHz，變壓器原副邊匝數比n12=5。未加可控飽和電感時，副邊兩個整流二極管分別在關斷時會產生過壓尖峰，如圖4所示，可見過壓在關斷時產生，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，可見整流二極管關斷時的電壓尖峰消失了，振蕩被成功抑制。

圖4 無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 結論

由全橋移相電路出發，研究了整流二極管關斷時過電壓的產生機理。提出了一種使用可控飽和電感來抑制副邊存在的過壓和振蕩的方法。本文結合數學推導與實驗驗證得到以下結論：

(1)二極管關斷時存在反向恢復電流，使二極管寄生電容與電路中雜散電感間產生振蕩，造成過電壓，產生了額外損耗，直接影響了軟開關設備的效率。

(2)使用可控飽和電感抑制二極管反向恢復電流從而抑制過電壓與振蕩的產生，并給出了詳細的設計方法。通過實驗證明了設計的可行性與有效性。

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

[2] 周乃沖, 孫明, 黃建芹. 快速二極管反向恢復軟度與反向恢復過電壓[J]. 電力電子技術, 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設計[J]. 電力電子技術, 2008, 42(7):59-61.

[4] 張國祥, 程小京, 張立,等. 鐵基超微晶合金在尖峰抑制器中的應用研究[J]. 金屬功能材料, 1995(Z1):183-185.

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壓抑制辦法[J].微型機與應用，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。