徐凌宇,董文婷,孫培德

　　(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201600)

       摘要：由全橋移相電路出發(fā)，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(guān)斷時(shí)過電壓的產(chǎn)生，通過對(duì)二極管關(guān)斷過程的分析，提出使用可控飽和電感來(lái)抑制二極管反向恢復(fù)電流，達(dá)到抑制副邊震蕩，使二極管不會(huì)承受因震蕩而產(chǎn)生的過壓。

　　關(guān)鍵詞：整流二極管；反向恢復(fù)電流；可控飽和電感

　　中圖分類號(hào)：TM474文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.012

　　引用格式：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(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：38-39,43.

0引言

　　全橋移相變換器是一種常見的軟開關(guān)變換器，其利用開關(guān)管的寄生電容與變壓器存在的漏感實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，提高了變換器效率，在大功率場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。但由于副邊整流二極管的關(guān)斷過程會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，使二極管寄生電容與電路中雜散電感產(chǎn)生振蕩與過壓，會(huì)造成大量功率損耗［1］，也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾。為了解決這個(gè)問題本文定量地分析了二極管反向恢復(fù)過程與過壓產(chǎn)生原因，并提出一種有效的抑制辦法。

1整流管過壓的產(chǎn)生

　　1.1反向恢復(fù)電流

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

　　1.2電壓尖峰產(chǎn)生機(jī)理

　　設(shè)反向電壓為US，雜散電感為L(zhǎng)S，DR為理想二極管，CDR為等效結(jié)電容，二極管反向恢復(fù)等效電路如圖2所示。

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

　　式中，ULS為雜散電感電壓；t2時(shí)刻電流變化速率為零，反向電流有最大值IRP，二極管此時(shí)承受電壓為US。t2~t3段反向電流開始下降，電流變化速率變?yōu)檎礵i2/dt(i2為t2~t3段反向恢復(fù)電流負(fù)向減小過程中恢復(fù)電流的瞬時(shí)值),一般認(rèn)為這階段電流變化速率是變化的。LS上感應(yīng)電壓方向改變，變成左端負(fù)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(guān)系：

　　二極管承受的過壓值可達(dá)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(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)開關(guān)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(guān)斷時(shí)的過壓會(huì)產(chǎn)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(fù)二極管；另一種是通過增加輔助電路來(lái)抑制或者吸收損耗。通常采用RCD吸收網(wǎng)絡(luò)，但在大功率情況下，對(duì)吸收電阻的功率要求較大，導(dǎo)致電路過于笨重，且損耗了能量；另一種是采用能量無(wú)源回饋電路，這種方式電路比較復(fù)雜，成本較高。為此，本文提出一種更具實(shí)際意義的副邊開關(guān)損耗抑制策略——整流二極管串聯(lián)可控飽和電感。

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

　　2.2可控飽和電感設(shè)計(jì)

　　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?qū)〞r(shí)其工作在a點(diǎn)飽和狀態(tài)，具有很低的電感量；當(dāng)整流管承受反向電壓時(shí)，可控飽和電感很快到達(dá)b點(diǎn)退飽和，此時(shí)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(shí)具有很大的電感量，可以有效抑制過壓產(chǎn)生。整個(gè)過程中可控飽和電感不會(huì)工作在c點(diǎn)處，而是留在了反向剩磁點(diǎn)d處，當(dāng)整流管再次導(dǎo)通時(shí)，電感磁化進(jìn)入再次循環(huán)［3］。

　　為了抑制反向恢復(fù)過程，二極管應(yīng)該滿足式（5）的伏秒特性：

　　NΔBS≥πtrrUS(5)

　　式中：N為線圈匝數(shù)，S為磁芯截面積，πtrr為二極管反向恢復(fù)時(shí)間近似值,US為反向電壓。

　　在實(shí)際中，還要考慮輸出電流大小和繞線的電流密度等因素，得：

　　式中，F(xiàn)Cu為銅線填充系數(shù)，對(duì)于繞線磁芯電感，取FCu=0.3~0.4；對(duì)于銅線徑磁芯電感，F(xiàn)Cu=1；J為銅線電流密度；IL為輸出電流。

　　可控飽和電感線徑應(yīng)滿足：

　　對(duì)于磁芯要求有高的矩形比、較小矯頑力，同時(shí)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(duì)磁性的要求，但是這種磁芯會(huì)在Bm>0.7T（Bm為磁通密度峰值）時(shí)因磁飽和而造成很大的鐵芯損耗,而且鈷基非晶合金價(jià)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證可控飽和電感對(duì)副邊二極管關(guān)斷時(shí)的尖峰抑制作用，設(shè)計(jì)一個(gè)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(guān)頻率為20 kHz，變壓器原副邊匝數(shù)比n12=5。未加可控飽和電感時(shí)，副邊兩個(gè)整流二極管分別在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生過壓尖峰，如圖4所示，可見過壓在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)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(guān)斷時(shí)的電壓尖峰消失了，振蕩被成功抑制。

4結(jié)論

　　由全橋移相電路出發(fā)，研究了整流二極管關(guān)斷時(shí)過電壓的產(chǎn)生機(jī)理。提出了一種使用可控飽和電感來(lái)抑制副邊存在的過壓和振蕩的方法。本文結(jié)合數(shù)學(xué)推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

　　（1）二極管關(guān)斷時(shí)存在反向恢復(fù)電流，使二極管寄生電容與電路中雜散電感間產(chǎn)生振蕩，造成過電壓，產(chǎn)生了額外損耗，直接影響了軟開關(guān)設(shè)備的效率。

　?。?）使用可控飽和電感抑制二極管反向恢復(fù)電流從而抑制過電壓與振蕩的產(chǎn)生，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法。通過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可行性與有效性。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 胡進(jìn), 呂征宇. 抑制功率二極管反向恢復(fù)幾種方案的比較［J］. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2004，7(8):476-479.

　　［2］ 周乃沖, 孫明, 黃建芹. 快速二極管反向恢復(fù)軟度與反向恢復(fù)過電壓［J］. 電力電子技術(shù), 1997，31(1):85-87.

　?。?］ 徐平凡, 丘東元, 張波,等. ZVS全橋變換器尖峰抑制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］. 電力電子技術(shù), 2008, 42(7):59-61.

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