一种新型的全桥电路副边过压抑制办法

徐凌宇,董文婷,孙培德

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201600)

一种新型的全桥电路副边过压抑制办法

徐凌宇,董文婷,孙培德

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201600)

由全桥移相电路出发，为解决副边整流电路存在的浪涌电压，研究了副边整流二极管关断时过电压的产生，通过对二极管关断过程的分析，提出使用可控饱和电感来抑制二极管反向恢复电流，达到抑制副边震荡，使二极管不会承受因震荡而产生的过压。

整流二极管；反向恢复电流；可控饱和电感

0 引言

全桥移相变换器是一种常见的软开关变换器，其利用开关管的寄生电容与变压器存在的漏感实现软开关，减小了开关损耗，提高了变换器效率，在大功率场合被广泛应用。但由于副边整流二极管的关断过程会产生反向恢复电流，使二极管寄生电容与电路中杂散电感产生振荡与过压，会造成大量功率损耗[1]，也会带来严重的电磁干扰。为了解决这个问题本文定量地分析了二极管反向恢复过程与过压产生原因，并提出一种有效的抑制办法。

1 整流管过压的产生

1.1 反向恢复电流

本文对全桥移相电路副边过二极管换流阶段进行单独分析，对于其他阶段不再赘述。实际中二极管的关断是在承受反向电压后瞬间关断的，由于二极管PN结电容的存在，使二极管关断经历了如图1所示的过程：(1)开始关断时刻为t0，反向电压加在二极管两端，电流不能马上减到零，而是正向逐渐减小，t1时刻电流减为零；(2)由于受反向电压作用， PN结电容开始充电，反向电流增大，t2时刻达到最大值IRP；(3)反向电流由最大值逐渐减为零，t3时刻完成反向恢复过程[2]。

图1 二极管关断过渡过程(IL为二极管导通电流；URP为二极管反向恢复尖峰电压)

1.2 电压尖峰产生机理

设反向电压为US，杂散电感为LS，DR为理想二极管，CDR为等效结电容，二极管反向恢复等效电路如图2所示。

图2 二极管反向恢复等效电路拓扑

由图2知，t0时刻加反向电压US，电流开始正向下降，此时UDR=0(UDR为二极管两端电压)，通常认为t0～t2段电流变化速率恒定为di1/dt(i1为t0～t2段反向恢复电流负向增大过程中恢复电流的瞬时值),故式(1)成立：

(1)

式中，ULS为杂散电感电压；t2时刻电流变化速率为零，反向电流有最大值IRP，二极管此时承受电压为US。t2～t3段反向电流开始下降，电流变化速率变为正值di2/dt(i2为t2～t3段反向恢复电流负向减小过程中恢复电流的瞬时值),一般认为这阶段电流变化速率是变化的。LS上感应电压方向改变，变成左端负右端正，与电源电压叠加，使二极管反向过压。此阶段电路中存在这样的关系：

(2)

当反向电流变化速率达到最大值时，二极管上反向电压会有峰值，此时：

(3)

式中:K为软度。

由式(1)、(2)、(3)得：

UDR=(1+K)US

(4)

二极管承受的过压值可达到反向电压的(1+K)倍。

2 新型的过压抑制办法

2.1 副边损耗抑制办法

随着软开关技术的发展，对开关电源的高效性有了更高的要求，而全桥移相副边整流二极管关断时的过压会产生大量功率损耗。因此抑制这一过程是很有必要的。一种思路是用软度K较小的快恢复二极管；另一种是通过增加辅助电路来抑制或者吸收损耗。通常采用RCD吸收网络，但在大功率情况下，对吸收电阻的功率要求较大，导致电路过于笨重，且损耗了能量；另一种是采用能量无源回馈电路，这种方式电路比较复杂，成本较高。为此，本文提出一种更具实际意义的副边开关损耗抑制策略——整流二极管串联可控饱和电感。

饱和电感是一种具有明显磁饱和点的电感，它起始磁导率高，矫顽力小，磁滞回线矩形比高。将其与整流二极管串联时，可以有效抑制二极管反向恢复过程。

2.2 可控饱和电感设计

图3 可控饱和电感磁滞回线

图3为可控饱和电感的磁滞回线，其工作过程为：整流管正向导通时其工作在a点饱和状态，具有很低的电感量；当整流管承受反向电压时，可控饱和电感很快到达b点退饱和，此时整流二极管正向电流降为零；之后整流二极管电流反向增大，由于可控饱和电感此时具有很大的电感量，可以有效抑制过压产生。整个过程中可控饱和电感不会工作在c点处，而是留在了反向剩磁点d处，当整流管再次导通时，电感磁化进入再次循环[3]。

为了抑制反向恢复过程，二极管应该满足式(5)的伏秒特性：

NΔBS≥πtrrUS

(5)

式中：N为线圈匝数，S为磁芯截面积，πtrr为二极管反向恢复时间近似值,US为反向电压。

在实际中，还要考虑输出电流大小和绕线的电流密度等因素，得：

(6)

式中，FCu为铜线填充系数，对于绕线磁芯电感，取FCu=0.3～0.4；对于铜线径磁芯电感，FCu=1；J为铜线电流密度；IL为输出电流。

可控饱和电感线径应满足：

(7)

对于磁芯要求有高的矩形比、较小矫顽力，同时还要求高频损耗低。以往可控饱和电感磁芯选用钴基非晶材料基本满足饱和电感对磁性的要求，但是这种磁芯会在Bm>0.7T(Bm为磁通密度峰值)时因磁饱和而造成很大的铁芯损耗,而且钴基非晶合金价格较贵是同体积铁基超微晶的4倍。因此选用性能更好的铁基超微晶合金磁芯[4]。

3 实验验证

为了验证可控饱和电感对副边二极管关断时的尖峰抑制作用，设计一个700 W/60 A移相全桥变换器：输入额定电压为200 V，输出额定电压为11.8 V，开关频率为20 kHz，变压器原副边匝数比n12=5。未加可控饱和电感时，副边两个整流二极管分别在关断时会产生过压尖峰，如图4所示，可见过压在关断时产生，其最大峰值约为变压器副边电压的1.6倍。加入可控饱和电感后，副边二极管电压波形如图5所示，可见整流二极管关断时的电压尖峰消失了，振荡被成功抑制。

图4 无饱和电感副边整流二极管上电压波形

图5 加入饱和电感副边整流二极管上电压波形

4 结论

由全桥移相电路出发，研究了整流二极管关断时过电压的产生机理。提出了一种使用可控饱和电感来抑制副边存在的过压和振荡的方法。本文结合数学推导与实验验证得到以下结论：

(1)二极管关断时存在反向恢复电流，使二极管寄生电容与电路中杂散电感间产生振荡，造成过电压，产生了额外损耗，直接影响了软开关设备的效率。

(2)使用可控饱和电感抑制二极管反向恢复电流从而抑制过电压与振荡的产生，并给出了详细的设计方法。通过实验证明了设计的可行性与有效性。

[1] 胡进, 吕征宇. 抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较[J]. 电源技术应用, 2004，7(8):476-479.

[2] 周乃冲, 孙明, 黄建芹. 快速二极管反向恢复软度与反向恢复过电压[J]. 电力电子技术, 1997，31(1):85-87.

[3] 徐平凡, 丘东元, 张波,等. ZVS全桥变换器尖峰抑制器的改进设计[J]. 电力电子技术, 2008, 42(7):59-61.

[4] 张国祥, 程小京, 张立,等. 铁基超微晶合金在尖峰抑制器中的应用研究[J]. 金属功能材料, 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,孙培德. 一种新型的全桥电路副边过压抑制办法[J].微型机与应用，2017,36(1)：38-39,43.

2016-09-11)

徐凌宇(1991-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：新型电力电子与电力传动装置。E-mail: kun1934@163.com。

董文婷(1992-)，女，硕士研究生，主要研究方向：交流多单元伺服或变频控制、新型电源及能量传递方法。