反激電路開關管電流尖峰分析


  最近分析下反激電流波形存在尖峰原因,並將相應分析過程記錄如下,歡迎大家討論。

  反激變換器雖然說是只有兩個模態,但是在考慮分布參數器件特性的時候,就有個模態咯。


 現象:    原邊電流波形存在一個正向尖峰和一個震盪波形。(注意:該震盪對應着開關管關斷電壓的震盪)

                   

  下圖為反激變換器CCM模式,原副邊電流尖峰,可以明顯看到,副邊電流尖峰是由於二極管反向恢復過程產生的。DCM模式下,副邊電流提前為零,則不存在二極管反向恢復過程引起的反向尖峰電流。

                                    

  畫出反激變換器含分布參數的等效電路圖,如下圖所示。

      

    Cp:變壓器原邊等效電容

    Cps:原副邊繞組分布電容

    Cds:開關管漏源之間寄生電容

    Lo:PCB寄生電感

    Lk:變壓器漏感

    Lm:變壓器激磁電感


 1、當開關管處於截止狀態時

      

 CCM:激磁電感Lm通過變壓器向負載供電

    副邊二極管處於導通狀態

    變壓器原邊繞組電容Cp的電壓為副邊反射電壓(n*Uo)電壓極性為上負下正

    開關管漏源寄生電容Cds的電壓為Ui+n*Uo

 DCM:激磁電感Lm向負載放電提前結束

    Lm,Lk,Cds,Cp發生諧振


 2、當開關管從截止導通狀態轉化時(第一個正向尖峰電流產生原因)

    二極管正向導通時:部分電子和空穴未被抵消,N區存儲了空穴,P區存儲了電子。正向電流越大,存儲的空穴或者電子數量就越多。這叫做電荷存儲效應

    二極管突然施加反壓時:N區空穴回到P區,P區電子回到N區,形成反向恢復電流。[3]

       

 

  下圖為原邊尖峰電流回路及來源:

    副邊二極管從導通向截止狀態轉變,產生反向恢復電流,該電流通過變壓器,耦合到原邊。

           

 

    在上一個狀態,Cp的電壓等效為電壓源,當開關導通時,Cp電壓不能突變,Cp與Lo發生諧振

       

    在上一個狀態,Cds的電壓等效為電壓源,當開關導通時,Cds電壓不能突變,Cds向開關管放電。

      


 

3、當開關管處於導通狀態時

      

 

   此時,Cp上的電壓為Uo,Cds上的電壓為0。


 

4、當開關管從導通截止狀態轉化時(關斷電流震盪產生原因)

  Lk與Cds,Cp,Cps(變壓器繞組間的寄生電容),二次側二極管二極管上的RC吸收網絡的電容反射到一次側的等效寄生電容,PCB布局走線和散熱器中寄生電容等其他寄生電容發生諧振[1]。Lk在與C諧振之前,電路的寄生電感Lo先與C發生諧振,接着Lk再參與諧振[2]。

  此時,開關管上會產生很嚴重的電壓尖峰,並伴隨着震盪

  DCM模式下,在后面Lm,Lk會一起參與諧振。

      

 


5、開關管完全導通上升時間

  在同一變換器參數情況下,開關管開通時間越長,則第二模態持續時間越長,放電產生尖峰電流越大。

                        


 

 參考文獻:

    [1] 文天祥,開關電源工程化設計與實戰,從樣機到量產[M].機械工業出版社,北京,2019

    [2] 李義,三圈兩地開關電源PCB布板要領,710樓

    [3] qlexcel, 二極管的反向恢復過程,CSDN


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