【正文】 第6章 開關(guān)變換器的緩沖鉗位電路 引言 引入緩沖電路的必要性和作用開關(guān)變換器中的功率半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，但器件的開通和關(guān)斷都不是瞬時(shí)完成的。由于器件或電路中存在寄生電容，在器件開通瞬間，會(huì)產(chǎn)生很大的電流應(yīng)力，造成很大的開通損耗；同樣由于器件在開通期間流過的電流比較大，關(guān)斷時(shí)器件將會(huì)承受較大的電壓應(yīng)力，也會(huì)造成很大的關(guān)斷損耗。開關(guān)損耗將導(dǎo)致器件發(fā)熱甚至損壞，對(duì)于功率晶體管(GTR)，還可能導(dǎo)致器件的二次擊穿。為盡可能減小電流、電壓應(yīng)力或開關(guān)損耗，一方面可設(shè)法減小開關(guān)變換器中的寄生電感或漏電感（主要靠工藝或PCB的合理布局）；另一方面可通過一些電路來減緩電流、電壓應(yīng)力，并耗散過電壓的能量或使能量反饋回電源中，這樣的電路稱為緩沖電路。緩沖電路（Snubber Circuit）又稱為吸收電路，是功率開關(guān)器件的一種重要保護(hù)電路。緩沖電路主要由電感、電容和電阻及開關(guān)功率器件等組成，其基本工作原理是利用電感電流不能突變的特性抑制器件的電流上升率，利用電容電壓不能突變的特性抑制器件的電壓上升率。緩沖電路的作用是通過改善功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)工作軌跡，改進(jìn)其開通和關(guān)斷期間所承受的電壓、電流波形，抑制功率開關(guān)器件的過電壓（du/dt）或過電流（di/dt），減小器件的開關(guān)損耗，進(jìn)而確保功率開關(guān)器件安全、可靠地運(yùn)行。通過合理選擇緩沖電路的元件參數(shù)，緩沖電路中的耗能元件（電阻）可全部消耗掉開關(guān)變換器的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)寄生元件釋放的能量或勵(lì)磁能量（對(duì)正激變換器），或?qū)⒑募纳尫诺哪芰炕騽?lì)磁能量返回電源，并將開關(guān)管兩端的電壓鉗位在一定的范圍內(nèi)，保證開關(guān)管的安全。 緩沖電路的類型緩沖電路有多種形式，以適用于不同類型的功率開關(guān)器件和開關(guān)變換器。根據(jù)緩沖電路的作用時(shí)刻，可將其分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路用于吸收器件的關(guān)斷過電壓或換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗；開通緩沖電路用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。如將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起，則稱其為復(fù)合緩沖電路。根據(jù)組成緩沖電路的元件類型，可將其分為無源和有源緩沖電路：無源緩沖電路是由無源元件構(gòu)成，如RC、RCD、LCD緩沖電路；有源緩沖電路不僅包含有無源和有源（主要是全控型開關(guān)器件，如GTR、MOS管等）元件，還包括一些控制電路和全控型開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，所以電路構(gòu)成復(fù)雜。而無源緩沖電路不需控制和驅(qū)動(dòng)電路，所以電路簡(jiǎn)單，在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。無源緩沖電路又分為無源有損緩沖電路和無源無損緩沖電路：如果緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量消耗在其吸收電阻上，則稱其為耗能式緩沖電路或無源有損緩沖電路（如RC和RCD緩沖電路）；如果緩沖電路將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路或稱為無源無損緩沖電路（也稱為無源鉗位電路，如LCD緩沖電路）。本章將對(duì)常用緩沖電路的組成原理及主要元件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論。 RCD緩沖電路原理與設(shè)計(jì). RCD緩沖電路組成和分類RCD緩沖電路以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但是由于RCD緩沖電路的鉗位電壓會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，如果參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，該電路會(huì)降低系統(tǒng)的效率，或者達(dá)不到鉗位要求而使開關(guān)管損壞。常用的RCD緩沖電路可并接在開關(guān)變壓器的原邊，、C1和VD1組成；也可并接在開關(guān)管的集射極間，、C2和VD2組成。其中CC2為鉗位電容，RR2為耗散電阻。 RCD緩沖電路RCD緩沖電路結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，成本最低，可降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，但其損耗較大。鉗位電壓依賴于變換器的輸出電流，與輸入電壓無關(guān)，會(huì)隨電阻減小而減小，但損耗增大。. RCD緩沖電路的設(shè)計(jì)1. 緩沖電路設(shè)計(jì)之一（1）緩沖器環(huán)節(jié)工作原理 所示（由RC1和VD1組成）， 所示。假設(shè)變換器工作在CCM模式且已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)tt1時(shí)，開關(guān)管VT1導(dǎo)通，輸入電壓Vi加在變壓器繞組上，由于二極管VD1反相偏置而處于關(guān)斷狀態(tài)，鉗位電容C1只能通過電阻R1放電，電容兩端電壓VC下降。在t1~t2階段，開關(guān)管進(jìn)入關(guān)斷過程，ic快速減小到0。變壓器漏感中的能量首先給開關(guān)管集射極間的等效電容充電，集射電壓快速上升（由于三極管集射極間的等效電容較?。?，當(dāng)其集射電壓上升到Vce =Vi+VC時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，開始向鉗位電容C1充電，因此集射電壓繼續(xù)上升，一直到變壓器原邊漏感電流iP線性下降到0，二極管VD1關(guān)斷。最終在t3時(shí)刻Vce由于漏感中的儲(chǔ)能減小到零而鉗位在Vi+nVo。在每個(gè)開關(guān)周期的其余時(shí)間里，電容C1通過電阻R1放電，電容電壓下降。如果緩沖電路元件參數(shù)滿足R1C1TS(TS為變換器開關(guān)周期)，則電容電壓VC在一很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，因此，開關(guān)管的漏源電壓被鉗位在Vi+nVo。 開關(guān)過電壓的抑制方法在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，鉗位電容的電壓會(huì)自動(dòng)調(diào)整，直到多余的能量都消耗在電阻上。如果沒有RCD緩沖電路，漏感中的能量將會(huì)在開關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到開關(guān)管的集射極間電容，集射電壓急劇上升，致使開關(guān)管的集電極承受較高的電壓應(yīng)力，甚至導(dǎo)致開關(guān)管損壞。 緩沖器作用及電流電壓波形（2） 緩沖器參數(shù)計(jì)算① 鉗位電壓VC的確定。鉗位電壓VC與輸入最高電壓及開關(guān)管所能承受的最大電壓Vceo有關(guān)，如果考慮30%的余量，則鉗位電壓VC的值可表示為 ()② 初級(jí)繞組的漏感量Ll的確定在繞制變壓器時(shí)，不可避免存在漏感，為了減小漏感尖峰，漏感量Ll越小越好，為此，通常要求初級(jí)繞組的漏感量為初級(jí)繞組電感量的1%~5%。變壓器繞制完成后，通過測(cè)試可得知初級(jí)繞組的漏感量，其測(cè)試方法為：將各個(gè)次級(jí)繞組短路，所測(cè)得的初級(jí)繞組電感量即為其漏電感（值得注意的是：要精確測(cè)得漏電感量，測(cè)試頻率應(yīng)與變換器的工作頻率相同）。③ 鉗位電阻R1的確定由于R1C1TS，可認(rèn)為電容電壓VC在一開關(guān)周期內(nèi)基本不變，則鉗位電阻R1消耗的能量WR1為 ()初級(jí)繞組的漏感中存儲(chǔ)的能量為 ()因?yàn)樵贑CM時(shí)，開關(guān)關(guān)斷后，漏感電壓基本不變，故原邊漏感電流線性下降，且下降率為，即漏感電流，則初級(jí)漏感電流從最大值Ip下降到零的時(shí)間。如果次級(jí)到初級(jí)的反射電壓為Vf=nVo，漏感電壓為Vl，則反饋電壓產(chǎn)生的能量為 ()根據(jù)能量守恒，有，考慮到式()~ ()，可得到鉗位電阻為 ()④ 鉗位電容C1的確定鉗位電容C1的取值應(yīng)足夠大，以確保在開關(guān)關(guān)斷期間，其電壓上升幅度足夠小，這也使得在一個(gè)開關(guān)周期中，電容C1上的電壓波動(dòng)很小，通常其電壓波動(dòng)幅度ΔVC的取值為鉗位電壓的2%—5%，假設(shè)ΔVC=5%VC，則鉗位電容C1的取值應(yīng)滿足 ()2. 緩沖電路設(shè)計(jì)之二（1）緩沖器環(huán)節(jié)工作原理 所示（由RC2和VD2組成）， 所示。 開關(guān)過電壓的抑制方法