設計技術文章

Design technology article

MOSFET开关管工作的最大占空比Dmax: 式中:Vor为副边折射到原边的反射电压,当输入为AC 220V时反射电压为135V;VminDC为整流后的最低直流电压;VDS为MOSFET功率管导通时D与S极间电压,一般取10V。 变压器原边绕组电流峰值IPK为: 式中:η为变压器的转换效率;Po为输出额定功率,单位为W。 功率开关管的选择 开关管的最小电压应力UDS,一般选择DS间击穿电压应比式计算值稍大的MOSFET功率管 变压器磁芯 反激式变换器功率通常较小,一般选用铁氧体磁芯作为变压器磁芯,其功率容量AP为: 式中:AQ为磁芯窗口面积,单位为cm2;Ae为磁芯的有效截面积,单位为cm2;Po是变压器的标称输出功率,单位为W;fs为开关管的 开关频率;Bm为磁芯最大磁感应强度,单位为T;δ为线圈导线的电流密度,通常取200~300A/cm2,η是变压器的转换效率;Km为窗口填充系数, 一般为0.2~0.4;KC为磁芯的填充系数,对于铁氧体为1.0。根据求得的AP值选择余量稍大的磁芯,一般尽量选择窗口长宽之比较大的磁芯,这样磁芯的窗口有效使用系数较高,同时可以减少漏感。 磁芯损耗 磁芯损耗取决于工作频率、工作磁感应强度、电路工作状态和所选用的磁芯材料的性能。对于双极性开关变压器,磁芯损耗PC: 式中:Pb为在工作频率、工作磁感应强度下单位质量的磁芯损耗(W/kg); Gc为磁芯质量(Kg)。对于单极性开关变压器,由于磁芯工作于磁滞回线的半区,所以磁芯损耗约为双极性开关变压器的一半。变压器总损耗为总铜耗与磁芯损耗之和。
2021-07-23 104
IC直接驱动型 这种电源IC的直接驱动是最常见、最简单的驱动方式。 图1 IC直接驱动MOS栅极 使用这种方法,我们应该注意几个参数及其影响。首先查看电源IC手册,了解最大峰值驱动电流,因为不同的IC芯片具有不同的驱动能力。其次,检查MOSFET的寄生电容,如图中的C1、C2和C3,如果容值较大,导通MOS管所需的能量也比较大。如果电源IC没有足够的峰值驱动电流,晶体管将以较慢的速度开启。 如果驱动能力不足,上升沿可能会出现高频振荡,即使减小图1中的Rg也无法解决问题!而IC驱动能力、MOSFET寄生电容、MOSFET开关速度等因素,也会影响驱动电阻的选择,所以Rg不能无限减小。 02 图腾柱电路增强驱动 该驱动电路的作用是增加电流供应能力,快速完成栅极电容输入的充电过程。这种拓扑增加了开通所需的时间,但减少了关断时间,开关管能够快速开通,避免上升沿的高频振荡。 图2 图腾柱电路增强驱动 03 驱动电路加速MOS管的关断 在关断的瞬间,驱动电路可以提供尽可能低阻抗的通路,使MOSFET的栅极和源极之间的电容快速放电,保证开关管可以快速关断。为了保证栅源极间电容C2的快速放电,在Rg1上并联了一个Rg2和一个二极管D1。 其中D1通常采用快恢复二极管,缩短了关断时间并降低了关断损耗;Rg2的作用是防止电源IC在关断时因电流过大而烧坏。 图3 加速MOS管关断电路 图腾柱电路也可以加速关断,当电源IC的驱动能力足够时,图2中的电路可以改进为下图这种形式。 图4 改善型加速MOS管关断电路 用三极管释放GS电容的电是很常见的,如果Q1的发射极没有电阻,PNP晶体管导通时栅极与源极之间的电容会短路,可以在最短的时间内实现放电,最大限度地减小关断时的交叉损耗。图4,因为三极管的存在,栅极和源极之间电容电流不会直接通过电源IC放电,提高了电路可靠性。
2021-07-09 100
我们工作中会遇到很多种电路,今天来说说让你少走弯路的3类二极管钳位电路。所谓钳位,就是把输入电压变成峰值钳制在某一预定的电平上的输出电压,而不改变信号。(1)功能:将输入讯号的位准予以上移或下移,并不改变输入讯号的波形。 (2)基本元件:二极管D、电容器C及电阻器R(直流电池VR)。 (3)类别:负钳位器与正钳位器。 (4)注意事项:D均假设为理想,RC的时间常数也足够大,不致使输出波形失真。 任何交流讯号都可以产生钳位作用。 负 钳 位 器 (1)简单型 工作原理:Vi正半周时,DON,C充电至V值,Vo=0V。 Vi负半周时,DOFF,Vo=-2V。 (2)加偏压型 工作原理:Vi正半周时,二极管DON,C被充电至V值(左正、右负),Vo=+V1(a)图或-V1(b)图。 Vi负半周时,二极管DOFF,RC时间常数足够大,Vo=VC+Vi(负半周)=2V。 几种二极管负钳位器电路比较。 正钳位器 (1)简单型 工作原理:Vi负半周时,DON,C充电至V值(左负、右正),Vo=0V。 Vi正半周时,DOFF,Vo=VC+Vi(正半周) =2V。 (2)加偏压型 判断输出波形的简易方法:1、由参考电压V1决定输出波形于坐标轴上的参考点。 2、由二极管D的方向决定原来的波形往何方向移动,若二极管的方向为 则波形必须向上移动;若二极管的方向为,则波形必须往下移动。 3、决定参考点与方向后,再以参考点为基准,将原来的波形画于输出坐标轴上,即为我们所求。 几种二极管正钳位器电路比较。
2021-07-04 108
三端稳压管原理 三端稳压管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时,在一定的电流范围内(或者说在一定功率损耗范围内),端电压几乎不变,表现出稳压特性,因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。 三端稳压管分类 三端稳压管,主要有两种,一种输出电压是固定的,称为固定输出三端稳压管,另一种输出电压是可调的,称为可调输出三端稳压管。 三端稳压管作用 三端稳压块的作用是将电压进行降压处理,并稳定为某一固定的值后输出。例如,三端稳压块7805可将小于35V的电压降成稳定的5V输出电压。它比只使用一只稳压二极管进行稳压的电路要好得多,成本也不是很高,所以应用还是很广泛的。常见的三端稳压块可分为正电压稳压块和负电压稳压块两种,正电压的有78系列、负电压的有79系列,两个系列是不能互换使用的,所以在选用时不要弄混。 三端稳压管原理 当输入电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所下降时,其取样电压相应减小,基极电位下降。但因发射极电位既稳压管的稳定保持不变,所以发射极电压减小,导致集电极电流减小而集电极电位升高。由于放大管的集电极与调整管的基极接在一起,故基极电位升高,导致集电极电流增大而管压降减小。因为放大管串联,所以,输出电压基本不变。在串联型稳压电源电路的工作过程中,要求调整管始终处在放大状态。通过调整管的电流等于负载电流,因此必须选用适当的大功率管作调整管,并按规定安装散热装置。为了防止短路或长期过载烧坏调整管,在直流稳压器中一般还设有短路保护和过载保护等电路。
2021-07-02 105
基本拓扑电路上一般没有吸收缓冲电路,实际电路上一般有吸收缓冲电路,吸收与缓冲是工程需要,不是拓扑需要。缓冲电路是控制开关器件快速上升和下降引起的瞬态尖峰的重要办法。它们通常主要是由一些无源器件组成的网络,用来控制电路中无功元件产生的振荡。合理的缓冲电路,可以提高电路的可靠性和效率,降低EMI,并实现更高的工作频率。缓冲器的基本目的是吸收由寄生成分引起的无功能量,并且将能量消耗掉或者将引导至能够回收的地方。而来自磁性器件和长PCB走线或环路中的电感,以及半导体结电容和布线耦合,这些是无功能量的常见来源。无论如何由于根本原因通常是寄生参数的影响,所以最重要的原则是尽量减少这些寄生参数。至于怎么样才能做到这一点,将在后面的章节中更详细地讨论。但在这里,我们是假设在PCB布局已经很好地完成了接下来谈论如何设计缓冲器大多数缓冲器都是针对特定的问题去设计的但是还是做一些分类可以帮助理解。第一个分类标准是将它们分成无源(只是电阻、电容、电感和二极管的组合)和有源(使用开关管)缓冲吸收电路,但另一个分类标准是看缓冲器是属于能量耗散还是非耗散类型,第三个分类标准是控制电压还是电流。任何时候感性元件遇到容性元件,如果还存在快速变化的电流或电压,其结果可能就是产生振荡。 吸收与缓冲的功效: 防止器件损坏,吸收防止电压击穿,缓冲防止电流击穿 使功率器件远离危险工作区,从而提高可靠性 降低(开关)器件损耗,或者实现某种程度的关软开 降低di/dt和dv/dt,降低振铃,改善EMI品质 提高效率(提高效率是可能的,但弄不好也可能降低效率) 也就是说,防止器件损坏只是吸收与缓冲的功效之一,其他功效也是很有价值的。 吸收:吸收是对电压尖峰而言。 电压尖峰的成因: 电压尖峰是电感续流引起的。 引起电压尖峰的电感可能是:变压器漏感、线路分布电感、器件等效模型中的感性成分等。 引起电压尖峰的电流可能是:拓扑电流、二极管反向恢复电流、不恰当的谐振电流等。 减少电压尖峰的主要措施是: 减少可能引起电压尖峰的电感,比如漏感、布线电感等 减少可能引起电压尖峰的电流,比如二极管反向恢复电流等 如果可能的话,将上述电感能量转移到别处。 采取上述措施后电压尖峰仍然不能接受,最后才考虑吸收。吸收是不得已的技术措施 拓扑吸 将开关管Q1、拓扑续流二极管D1和一个无损的拓扑电容C2组成一个在布线上尽可能简短的吸收回路。 拓扑吸收的特点: 同时将Q1、D1的电压尖峰、振铃减少到最低程度。 拓扑吸收是无损吸收,效率较高。 吸收电容C2可以在大范围内取值。 拓扑吸收是硬开关,因为拓扑是硬开关。 体二极管反向恢复吸收开关器件的体二极管的反向恢复特性,在关断电压的上升沿发挥作用,有降低电压尖峰的吸收效应。 RC吸收 RC吸收的本质是阻尼吸收。 有人认为R 是限流作用,C是吸收。实际情况刚好相反。 电阻R 的最重要作用是产生阻尼,吸收电压尖峰的谐振能量,是功率器件。 电容C的作用也并不是电压吸收,而是为R阻尼提供能量通道。 RC吸收并联于谐振回路上,C提供谐振能量通道,C 的大小决定吸收程度,最终目的是使R形成功率吸收。 对应一个特定的吸收环境和一个特定大小的电容C,有一个最合适大小的电阻R,形成最大的阻尼、获得最低的电压尖峰。 RC吸收是无方向吸收,因此RC吸收既可以用于单向电路的吸收,也可用于双向或者对称电路的吸收。 RC吸收设计 RC吸收的设计方法的难点在于:吸收与太多因素有关,比如漏感、绕组结构、分布电感电容、器件等效电感电容、电流、电压、功率等级、di/dt、dv/dt、频率、二极管反向恢复特性等等。而且其中某些因素是很难获得准确的设计参数的。 比如对二极管反压的吸收,即使其他情况完全相同,使用不同的二极管型号需要的RC吸收参数就可能有很大差距。很难推导出一个通用的计算公式出来。 R 的损耗功率可大致按下式估算:Ps = FCU2其中U为吸收回路拓扑反射电压。 工程上一般应该在通过计算或者仿真获得初步参数后,还必须根据实际布线在板调试,才能获得最终设计参数。 RCD吸收 特点: RCD吸收不是阻尼吸收,而是靠非线性开关D 直接破坏形成电压尖峰的谐振条件,把电压尖峰控制在任何需要的水平。 C 的大小决定吸收效果(电压尖峰),同时决定了吸收功率(即R的热功率)。 R 的作用只是把吸收能量以热的形式消耗掉。其电阻的最小值应该满足开关管的电流限制,最大值应该满足PWM逆程RC放电周期需要,在此范围内取值对吸收效果影响甚微。 RCD吸收会在被保护的开关器件上实现某种程度的软关断,这是因为关断瞬间开关器件上的电压即吸收电容C上的电压等于0,关断动作会在C 上形成一个充电过程,延缓电压恢复,降低dv/dt,实现软关断。 […]
2021-06-30 132
二极管是大家在工作中经常会用到的器件,但是为什么二极管只能串联?今天我们来一探究竟~ 串联 在串联时,需要注意静态截止电压和动态截止电压的对称分布。 ‍‍‍‍‍‍‍‍‍在静态时,由于串联各元件的截止漏电流具有不同的制造偏差,导致具有最小漏电流的元件承受了最大的电压,甚至达到擎住状态。 但只要元件具有足够的擎住稳定性,则无必要在线路中采用均压电阻。只有当截止电压大于1200V的元件串联时,一般来说才有必要外加一个并联电阻。 假设截止漏电流不随电压变化,同时忽略电阻的误差,则对于n个具有给定截止电压VR的二极管的串联电路,我们可以得到一个简化的计算电阻的公式: 以上Vm是串联电路中电压的最大值,△Ir是二极管漏电流的最大偏差,条件是运行温度为最大值。 我们可以做一个安全的假设: 上式中,Irm是由制造商所给定的。利用以上估计,电阻中的电流大约是二极管漏电流的六倍。 经验表明,当流经电阻的电流约为最大截止电压下二极管漏电流的三倍时,该电阻值便是足够的。但即使在此条件下,电阻中仍会出现可观的损耗。原则上,动态的电压分布不同于静态的电压分布。 如果一个二极管pn结的载流子小时得比另外一个要快,那么它也就更早地承受电压。如果忽略电容的偏差,那么在n个给定截止电压值Vr的二极管相串联时,我们可以采用一个简化的计算并联电容的方法: 以上△QRR是二极管存储电量的最大偏差。 我们可以做一个充分安全的假设: 条件是所有的二极管均出自同一个制造批号,△QRR由半导体制造商所给出。除了续流二极管关断时出现的存储电量之外,在电容中存储的电量也同样需要由正在开通的IGBT来接替。 根据上述设计公式,我们发现总的存储电量值可能会达到单个二极管的存储电量的两倍。一般来说,续流二极管的串联电流并不多见,原因还在于存在下列附件的损耗源: 1、pn结的n重扩散电压; 2、并联电阻中的损耗; 3、需要由IGBT接替的附加存储电量; 4、由RC电路而导致的元件的增加。 所以在高截止电压的二极管可以被采用时,一般不采用串联方案。唯一的例外是当应用电路要求很短的开关时间和很低的存储电量时,这两点正好是地奈亚二极管所具备的。当然此时系统的通态损耗也会大大增加。 并联 并联并不需要附加的RC缓冲电路,重要的是在并联时通态电压的偏差应尽可能小。一个判断二极管是否适合并联的重要参数是其通态电压对温度的依赖性。 如果通态电压随温度的增加而下降,则它具有负的温度系数。对于损耗来说,这是一个优点。如果通态电压随温度的增加而增加,则温度系数为正。 在典型的并联应用中,这是一个优点,其原因在于,较热的二极管将承受较低电流,从而导致系统的稳定。因为二极管总是存在一定的制造偏差,所以在二极管并联时,一个较大的负温度系数(>2mV/K)则有可能产生温升失衡的危险。 并联的二极管会产生热耦合: 1、在多个芯片并联的模块中通过基片; 2、在多个模块并联于一块散热片时通过散热器一般对于较弱的负温度系数来说,这类热偶合足以避免具有最低通态电压的二极管走向温度失衡。 但对于负温度系数值>2mM/K的二极管,我们则建议降额使用,即总的额定电流应当小于各二极管额定电流的总和。 文章整理自网络,如有侵权,请联系删除!
2021-06-30 123