开关管吸收回路计算分析

由 cathy 提交于周三, 13 九月 2017 - 15:59

等效电路：

L：变压器漏感及元器件引线电感等杂散电感之和。
R、C：吸收电阻电容。
D、Cd：整流二极管，Cd为D的结电容。
Q、Coss：开关MOSFET，Coss为MOSFET的结电容。

开关管由导通到截止时由于漏感L的存在，要通过R、C将其能量吸收掉，否则会产生一个尖峰电压影响到元件的可靠性以及造成EMI问题。

整流二极管截止时还有个反向恢复电流的问题，但是把反向恢复电流最大时当作分析的起使点，那在实际分析时过程还是一样的，只是初始状态不同。

考虑整流二极管这个回路，设流过L上的电流为I1(t)：

流过结电容Cd的电流为

流过吸收电容C的电流为

根据Cd两端电压等于R、C两端电压得到微积分方程：

由于含有积分，方程求解不便，将其求导，得到3阶微分方程：

由于Cd很小，可以将其忽略以简化分析，得到简化后的微分方程：

考虑初始状态I1（0）=Io，I1’（0）=(Vin-Vo)/L，其中Io为开关管关闭时电流的最大值，应用拉普拉斯变换得到变换后的方程：

这是个2阶系统，应当让其工作在过阻尼状态防止振荡，因此要保证极点有2个相异实根，得到

应用拉普拉斯逆变换可以得到电流I1(t)的解：

电感L上的电压：

二极管D上的电压：

假定L=0.1uH，C=220pF，Vo=12V，Vin= -60V（此时MOSFET ON，变压器次级电压反向，Vin由12V跳变为-60V），R=2*sqrt（L/C）=42.6ohm。

DCM状态下Io=0，考虑不同的R值对波形的影响：

可以看到阻值越小，电压电流的波形振荡越多，峰值越高，越容易对回路产生不利影响，因此要保证工作在过阻尼状态，电阻R不能取小。

考虑R=47ohm时不同电容C对波形的影响：

可以看到电容C越大，电压电流变化率会减小，并且电压的过冲会减小，这样对EMI会有好处，但是峰值电流会变大。

考虑此时电阻R上的功率消耗，假定回路工作频率50KHz：

可以看到正常情况下吸收电阻消耗的功率与R值大小无关，只与C及C两端的电压有关，因此可以看到改善EMI是以增加消耗功率为代价的，会降低回路的总体效率，因此C也不能取太大，此时P=1/2*C*(Vin-Vo)^2*f 。

需要看到此时吸收回路吸收的不是漏感L上的能量，而是电压跳变在电容C上产生的能量。

考虑在CCM状态下，设Io=1A和2A

C=220pF时不同R值对波形的影响：

R=47ohm时不同C值对波形的影响：

可以看到当截止电流比较大时，电阻越大电流下降越慢，吸收电容上初始电压就会越高，对电容耐压要求就会越高，此时电感L及二极管D两端电压变化也会更快，对回路产生不利影响的可能性会更大，因此吸收电阻R取值也不能太大。

吸收电容上有初始电压是因为考虑二极管关断时两端电压不能突变，电感L电流也不能突变，从而电流经吸收电阻在吸收电容上产生了初始电压。

吸收电容的增大可以减小电压电流的变化率。

考虑此时吸收电阻R消耗的功率：

可以看到吸收功率始终随吸收电容C值的增大而增大，但是不同的截止电流随吸收电阻R值的变化会有不同的变化。
因此可以根据EMI的情况选取合适的C值，然后由此C值确定R值。

可以考虑一种确定R、C值的方法，在最大截止电流的情况下确定吸收电容C上的起始电压，这时可以计算出R值，这个R值是最大值，然后再由R值计算出C值，这时的C值是吸收电容的最小值。

考虑结二极管电容Cd的影响，设Cd=15pF：DCM状态：Io=0，

以上是不同的吸收电阻R，考虑不同的吸收电容C：

可以看到如果吸收电阻R偏大，流过结电容的电流也会增加，并且震荡也比较厉害，对二极管D会有不利影响，起不到保护二极管的作用。

吸收电容C的加大可以减小电压电流的变化率。

考虑CCM状态，Io分别为1A、2A：C=220pF，不同R的影响：

R=47ohm时不同C的影响：

可以看到截止电流越大，在二极管两端产生的尖峰电压越高，吸收电容越大，电压电流变化率越小，吸收电阻越大，电压尖峰越高。

以上的曲线是在初始状态I（0）=Io，I’（0）=（Vin-Vo）/L，I’’（0）= -Io/Cd/L的条件下求得的，不同得初始条件会得到不同得曲线。由于该初始条件并不一定正确，因此得到的曲线可能与实际观察到的波形会有较大差异，但是其变化趋势是可以参考的。

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