摘要：高頻電源模塊的噪聲主要來自功率變換和輸出整流濾波電路。ZVZCS PWM全橋變換器實現了開關管的軟開關，但其輸出整流二極管不是工作在軟開關狀態，輸出整流二極管在換流時，變換器的副邊存在寄生振蕩。本文討論其產生原因及抑制辦法。
關鍵詞：高頻；尖峰；探討
1 副邊整流二極管的反向恢復過程
實際上已導通的二極管在突然加上反向電壓的一段時間內，電流下降到零以后，它并不立刻停止導通，還處于反向低阻狀態。此時在反向電壓作用下，載流子進入復合過程，于是在反方向繼續流過電流；當載流子復合完畢，反向電流才迅速衰減到零。這個階段就是二極管的反向恢復過程，如圖1所示。
在反向電流衰減過程中，電路產生強烈的過渡過程，它在關斷元件兩端產生極高的過電壓，即換流過電壓；另外，因電流衰減時在關斷元件上同時存在電流與電壓，在元件中瞬時產生極大的功率，即所謂關斷功率。
二極管振蕩的等效電路如圖2所示。
圖中，Lk為變壓器的漏感，Lp為二極管的串聯寄生電感，Cp為二極管的并聯寄生電容，VD為理想二極管。
圖中，Lk為變壓器的漏感，Lp為二極管的串聯寄生電感，Cp為二極管的并聯寄生電容，VD為理想二極管。當副邊電壓為零時，在全橋整流器中四個二極管全部導通，輸出濾波電感電流處于自然續流狀態。而當副邊電壓變化為高電壓U2時，整流橋中有兩只二極管要關斷，兩只二極管繼續導通。這時變壓器的漏感和整流管的串聯寄生電感Lp就開始與整流管的并聯寄生電容Cp之間產生寄生振蕩。二極管電流與電壓波形呈指數衰減的高頻振蕩波形，在二極管關斷瞬間會產生很高反向電壓浪涌。它的存在不但增加了二極管的功耗，而且也對輸出電能質量產生很大影響。特別是在大功率應用中，巨大的電壓尖峰很有可能造成二極管的過壓擊穿。因此在設計中應予以特別關注。
2 減小電壓尖峰的對策
整流二極管的反向恢復時間除由器件本身的性能決定外，還受許多電路因素的影響。包括其導通時流過的正向電流的大小、正向電流的下降速率、反向電壓的大小以及反向電壓的上升速率等。
反向電流i是產生電壓尖峰的根源，減小i的數值無疑是抑制尖峰的根本措施。選用合適的整流二極管，例如：快恢復二極管，雖然反向恢復時間短，反向恢復損耗小，但恢復特性較硬，電壓尖峰仍然很大。可適當選用恢復特性相對較軟(tb／ta值小)的軟快恢復二極管。另外適當加大二極管電流容量或者多管并聯以減小通過每只管的正向電流都能對抑制電壓尖峰起到積極的影響。合理的布局布線，減小變壓器漏感及引線電感，從而減小振蕩也是一個抑制尖峰的根本方法。
當器件選好，布線完畢后，我們還能通過外加緩沖電路的辦法抑制電壓尖峰。常用的緩沖電路有以下幾種：
(1)RC吸收電路
解決功率二極管反向恢復問題最常見的辦法是采用RC吸收電路，它是在每個二極管上并聯一個R和C的串聯支路。RC吸收電路如圖3所示二極管反向關斷時，寄生電感中的能量對寄生電容充電，同時還通過吸收電阻R對吸收電容C充電。在吸收同樣能量的情況下，吸收電容越大，其上的電壓就越小；當二極管快速正向導通時，C通過R放電，能量的大部分將消耗在R上。雖然這種吸收網絡能夠有效的抑制反向電壓尖峰，但是它是有損耗的，相當于把整流二極管的關斷損耗轉移到了RC吸收電路上，不利于提高變換器的效率。
(2)有源鉗位
為了降低損耗，有人提出了一種主動鉗位電路，它由鉗位開關管TVs、鉗位二極管VDs和鉗位電容Cs組成，Cs的容量較大。如圖4所示。
主動鉗位緩沖電路可以將整流橋上的電壓鉗位在一個適當的電壓上。而且因為該緩沖電路中沒有電阻，故不存在損耗。同時TVs零電壓開關，也沒有開關損耗，因此主動鉗位緩沖電路的損耗比RC吸收電路小的多。但該方法需要增加一套控制電路和一個有源器件TVs，增加了系統的復雜性，而降低了可靠性。
(3)串飽和電感(尖峰抑制器)
串聯飽和電感(尖峰抑制器)是解決二極管反向恢復問題的另一種常用方法，如圖5所示。
在正常流通時，抑制噪聲的磁芯飽和，具有很低的電感，幾乎不存儲能量。而在電流減少并試圖過零時，矩形磁滯回線的磁芯退出飽和，磁芯表現出很大電感。這很大的電感阻止了電流相反方向變化，抑制了反向電流，也就消除了反向電流引起的尖峰。通常采用矩形磁滯回線材料的尖峰抑制器實現尖峰抑制。
當二極管導通時，流過電流Io(圖6(a)中“I”)，尖峰抑制器飽和(圖6(b)中“I”)，磁導率為空氣磁導率μo，尖峰抑制器等效電感很小，相當于導線電感。
當二極管關斷時，其正向電流由Io減少到零(圖(a)中“II”)時，磁芯沿著磁化曲線“II”去磁，直到縱坐標上Br值。磁芯仍呈現低阻抗。由于二極管存在存儲電荷仍然處于導通狀態，而電路中存在反向電壓，試圖流過反向電流。如果沒有尖峰抑制器，在反向電壓的作用下，流過很大的反向恢復電流(圖(a)中虛線所示)，此大電流在寄生電感中存儲能量，然后進入反向恢復時間trr，二極管反向電流下降。此反向恢復電流下降時造成很大的電壓尖峰和電路噪聲。當串入尖峰抑制器時，二極管在反向電壓作用下開始試圖流過反向電流時，尖峰抑制器退出飽和，呈現很大的阻抗，只有極小的反向電流(圖(a)中過零陰影部分“III”)使磁芯沿磁化曲線“III”段去磁，這里磁導率非常高，視在電感很大，有效地阻止了高di／dt的反向恢復電流，使硬恢復變成軟恢復，使得噪聲大大減少。磁化能量絕大部分變成了磁滯損耗和渦流損耗。
如果在二極管反向恢復時間內，磁芯的伏秒足夠大，即二極管反向阻斷(圖(a)中“IV”)前沒有反向飽和(圖(b)中“IV”點)，二極管完全恢復，則噪聲基本上可以消除。
當二極管再次導通(圖(a)中“V”)時，磁芯仍處于高阻抗，減少二極管正向電流上升率。在大功率二極管中，有利于改善二極管的正向恢復特性。磁芯被正向電流經“V”向飽和磁化。以后重復“I”～“V”的過程。從工作原理可以看到，磁珠具有優良的抑制噪聲性能。要抑制電路中的噪聲必須滿足下式：
3 結束語
以上方案在抑制電壓尖峰的同時，減小了緩沖電路的損耗，但增加了磁性元件的數量。
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