跟電源專家陶顯芳學(xué)電源技術(shù)（二）：漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響（下） - 全文

電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：國(guó)內(nèi)知名電源技術(shù)專家陶顯芳不辭勞苦，在雙節(jié)期間仍堅(jiān)持為各位電源工程師或愛好者排憂解難，寫出一些工程師們非常關(guān)心的技術(shù)問題和常見的電源問題及解決方法。電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯現(xiàn)為讀者整理成幾部分為《跟電源專家陶顯芳學(xué)電源技術(shù)》系列，內(nèi)容包括：

　　1、漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響（上）

　　2、漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響（下）

　　3、對(duì)漏感與分布電容的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析

　　4、電源開關(guān)管的過壓保護(hù)電路

　　5、電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算（上）

　　6、電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算（下）

　　7、RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例：開關(guān)變壓器初級(jí)線圈漏感Ls的計(jì)算

　　8、RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例：尖峰脈沖吸收電容器容量的計(jì)算

　　9、RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例：尖峰脈沖吸收電阻阻值的計(jì)算。

　　本文為漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響（下），內(nèi)容精彩，敬請(qǐng)對(duì)電子發(fā)燒友網(wǎng)保持密切關(guān)注。

　　當(dāng)開關(guān)管開始關(guān)斷時(shí)，外電路給柵極加一負(fù)電壓（或低電壓），通過靜電感應(yīng)，開關(guān)管內(nèi)耗盡層中的載流子（電子）在電場(chǎng)的作用下會(huì)重新進(jìn)行分布，相當(dāng)于外電路要向耗盡層抽離載流子，耗盡層中載流子的濃度將按指數(shù)規(guī)律減小，耗盡層的厚度也將隨時(shí)間增大而變小，其結(jié)果是耗盡層的電阻將隨時(shí)間由小變大。這個(gè)過程，與電容被充電時(shí)，流過電容的電流由大變小很相似；所以，當(dāng)開關(guān)管剛導(dǎo)通的一瞬間，開關(guān)管可以等效成一個(gè)理想的開關(guān)與一個(gè)電容器并聯(lián)，這個(gè)電容器就是漏極和源極之間的分布電容Cds。如圖5是開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，反激式開關(guān)電源的工作原理圖。

　　根據(jù)上面分析，柵極電容Cgs對(duì)開關(guān)管的導(dǎo)通影響比較大，容量越大，開關(guān)管的導(dǎo)通上升時(shí)間就越長(zhǎng)。而漏極電容Cds對(duì)開關(guān)管的關(guān)斷影響比較大，容量越大，開關(guān)管關(guān)斷存儲(chǔ)時(shí)間就越長(zhǎng)。電容Cgs和Cds也稱擴(kuò)散電容，它們既具有電阻的性質(zhì)，同時(shí)也具有電容充放電的特性，這種特性主要與耗盡層中載流子的濃度變化有關(guān)。

　　當(dāng)電源開關(guān)管為晶體管時(shí)，Cgs和Cds分別與Cbe和Cce對(duì)應(yīng)，工作原理場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理基本相同或相似。不過基區(qū)參與導(dǎo)電的載流子的密度的增加或減少，不是靠靜電感應(yīng)的作用，而是靠基極電流的注入。

　　由于開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)斷期間，其分布參數(shù)的性質(zhì)和作用也在改變，因此，在圖1～5中，要對(duì)分布電感Ls和分布電容Cs，以及Cgs和Cds組成的電流回路進(jìn)行精確計(jì)算，難度是很大的。下面，我們將以很長(zhǎng)的篇幅來對(duì)上面電路進(jìn)行分析和計(jì)算。

　　在圖4中，分布電感Ls和分布電容Cs可以看成是一個(gè)串聯(lián)振蕩回路，當(dāng)開關(guān)管Q1開始導(dǎo)通的時(shí)候，輸入脈沖電壓的上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入電壓通過分布電感Ls對(duì)分布電容Cs充電電壓的上升率，此時(shí)，串聯(lián)振蕩回路開始吸收能量，輸入電壓通過Lds和Ls對(duì)Cs進(jìn)行充電，流過Ls和Cs的電流按正弦曲線增長(zhǎng)；當(dāng)開關(guān)管Q1完全導(dǎo)通以后，Lds的值等于0，此時(shí)，輸入脈沖進(jìn)入平頂階段，相當(dāng)于輸入脈沖電壓的上升率為0，由于，輸入脈沖電壓的上升率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分布電感Ls與分布電容Cs進(jìn)行充、放電時(shí)電壓的上升率，因此，振蕩回路開始釋放能量，振蕩回路會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩。

　　由于分布電感Ls和分布電容Cs的時(shí)間常數(shù)相對(duì)于勵(lì)磁電感 比較小，所以分布電感Ls和分布電容Cs產(chǎn)生阻尼振蕩的過程主要發(fā)生在開關(guān)管Q1導(dǎo)通和關(guān)斷的一瞬間。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通或關(guān)斷后不久，阻尼振蕩很快就會(huì)停止。當(dāng)輸入電壓對(duì)分布電容Cs充滿電后，輸入電壓就完全加到勵(lì)磁電感 的兩端。如果是反激式開關(guān)電源，流過勵(lì)磁電感 的電流將隨時(shí)間從0開始線性增加；如果是正激式開關(guān)電源，流過勵(lì)磁電感 的電流將隨時(shí)間按梯形波曲線增長(zhǎng)。

　　在開關(guān)管Q1導(dǎo)通期間，由于開關(guān)管的導(dǎo)通內(nèi)阻非常小，分布電容Cds基本上是不起作用的。當(dāng)開關(guān)管Q1由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管漏極和源極之間的分布電容Cds將被接入電路中，分布電感Ls和勵(lì)磁電感 將同時(shí)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，并分別對(duì)分布電容Cds和Cs進(jìn)行充、放電，電容與電感在交替進(jìn)行能量交換的過程中，將產(chǎn)生串、并聯(lián)振蕩。

　　但由于勵(lì)磁電感 的時(shí)間常數(shù)比Ls、Cs和Cds的時(shí)間常數(shù)大好多，因此，在產(chǎn)生振蕩的過程中，主要由Ls、Cs和Cds三者產(chǎn)生作用。另外，在開關(guān)管開始關(guān)斷期間，由于Cds實(shí)際上是一個(gè)阻抗由小到大，其阻抗變化過程類似于電容充電的可變電阻，它只吸收能量，而不會(huì)釋放能量。因此，它在產(chǎn)生振蕩的過程中，只對(duì)充電曲線的上升速率起影響，而對(duì)放電曲線的下降速率不起影響。

　　圖6是圖4和圖5電路中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)（圖4），輸入電壓ui通過開關(guān)變壓器漏感Ls對(duì)分布電容Cs進(jìn)行充電，使漏感Ls與分布電容Cs產(chǎn)生沖擊振蕩時(shí)，分布電容Cs兩端的電壓波形；和當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)（圖5），輸入電壓ui與開關(guān)變壓器漏感Ls和分布電容Cs、Cds產(chǎn)生充、放電時(shí)，電源開關(guān)管D、S極兩端的波形。

　　在圖6中，圖6-a是電源開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓ui加于開關(guān)變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓波形；圖6-b是分布電容Cs兩端的電壓波形；圖6-c，是電源開關(guān)管Q1漏極D與源極S之間的電壓波形。

　　在t0時(shí)刻，電源開關(guān)管Q1開始導(dǎo)通，輸入電壓ui加于開關(guān)變壓器兩端，輸入電壓ui首先通過分布電感Ls對(duì)分布電容Cs充電，此時(shí)，由于輸入電壓ui的上升率大于電流通過分布電感Ls對(duì)分布電容Cs進(jìn)行充電的電壓上升率，所以，分布電感和分布電容都從輸入電壓吸收能量。輸入電壓ui在對(duì)分布電感Ls和分布電容Cs進(jìn)行充電過程中，分布電容Cs兩端的電壓是按正弦曲線上升的；而放電時(shí)，其兩端的電壓則按余弦曲線下降。

　　到t1時(shí)刻，流過Ls的電流達(dá)到最大值，同時(shí)分布電容Cs兩端的電壓與輸入電壓ui相等（或與變壓器初級(jí)線圈的正激輸出半波平均值Upa相等），此時(shí)輸入電壓ui的上升率為0，輸入電壓ui的上升率小于分布電感Ls對(duì)分布電容Cs充電的電壓uc上升率，所以，分布電感Ls開始釋放能量繼續(xù)對(duì)分布電容Cs進(jìn)行充電。此時(shí)，Ls在釋放能量，而輸入電壓ui和分布電容Cs都在吸收能量，分布電容Cs都兩端的電壓uc繼續(xù)按正弦曲線上升。

　　到t2時(shí)刻，流過Ls的電流等于0（儲(chǔ)存于Ls中的能量被釋放完畢），分布電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)分布電容Cs進(jìn)行充電結(jié)束，此時(shí)Cs兩端的電壓也達(dá)到最大值，然后Cs開始按余弦曲線對(duì)Ls和輸入電壓ui進(jìn)行放電，流過Ls的電流開始反向，Ls開始反向儲(chǔ)存磁能量。

　　到t3時(shí)刻，Cs兩端的電壓又與輸入電壓ui相等，電容停止放電，此時(shí)，Ls儲(chǔ)存的磁能量將轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)es給電容Cs進(jìn)行反向充電，使Cs兩端的電壓低于輸入電壓ui。

　　到t4時(shí)刻，流過Ls的反向電流等于0，Cs兩端的電壓達(dá)到最低值，然后輸入電壓又開始通過Ls對(duì)Cs進(jìn)行充電，至此，分布電感Ls與分布電容Cs第一個(gè)充放電周期結(jié)束。

　　到t4時(shí)刻之后，輸入電壓ui對(duì)分布電感Ls和分布電容Cs進(jìn)行充電的過程，以及分布電感Ls和分布電容Cs互相進(jìn)行充電的過程，與t0～t4時(shí)刻基本相同。但由于在此期間，輸入電壓的上升率等于0，輸入電壓不再向分布電感Ls和分布電容Cs提供能量，因此，分布電感Ls與分布電容Cs產(chǎn)生自由振蕩的幅度是隨著時(shí)間衰減的，其衰減速率與等效電阻大小有關(guān)。

　　到t10時(shí)刻，分布電感Ls與分布電容Cs產(chǎn)生的阻尼自由振蕩的幅度被衰減到差不多等于0，此時(shí)，分布電容Cs兩端的電壓等于變壓器初級(jí)線圈的正激輸出半波平均值Upa。關(guān)于半波平均值Upa和Upa-的計(jì)算方法及定義，請(qǐng)參考第一章的（1-70）和（1-71）式及說明。

　　在圖6-b中，Upa為變壓器初級(jí)線圈正激輸出電壓的半波平均值，此值與輸入電壓相等；Upa-為變壓器初級(jí)線圈反激輸出電壓的半波平均值，此值與占空比相關(guān)；當(dāng)占空比等于0.5時(shí)，Upa-與輸入電壓在數(shù)值上相等，但符號(hào)相反。

　　到t11時(shí)刻，電源開關(guān)管Q1開始關(guān)斷，由于流過分布電感Ls和勵(lì)磁電感 的電流通路突然被切斷，其必然會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì) 和 ，此二反電動(dòng)勢(shì)將與輸入電壓ui一起串聯(lián)對(duì)分布電容Cs和Cds進(jìn)行充電。但由于Cs兩端的電壓與 電壓基本相等，因此，對(duì)分布電容Cds進(jìn)行充電的電壓正好是輸入電壓ui與反電動(dòng)勢(shì)電壓 和 三者之和。

　　到t12時(shí)刻，電源開關(guān)管Q1已經(jīng)完全關(guān)斷，但二反電動(dòng)勢(shì) 和 與輸入電壓ui還繼續(xù)對(duì)分布電容Cs和Cds進(jìn)行充電，不過，此時(shí)Cds的容量已經(jīng)變得非常小，因?yàn)樗硎鹃_關(guān)管內(nèi)部的擴(kuò)散電容，屬于電阻性質(zhì)，當(dāng)開關(guān)管完全關(guān)斷之后，阻值為無限大。

　　直到t13時(shí)刻，分布電感Ls儲(chǔ)存的磁能量基本被釋放完，二反電動(dòng)勢(shì) 和 才停止對(duì)分布電容Cs和Cds繼續(xù)進(jìn)行充電；此時(shí)，分布電容Cs和分布電容Cds的兩端電壓均達(dá)到了最大值，即，加到電源開關(guān)管Q1漏極上的電壓達(dá)到最大值；而后，分布電容Cs又對(duì)原充電回路進(jìn)行放電，并產(chǎn)生自由振蕩，但由于電源開關(guān)管Q1關(guān)斷后阻抗為無效大，其放電回路只能通過等效R和勵(lì)磁電感 進(jìn)行，所以振幅很快就衰減到0。圖3-c為電源開關(guān)管D、S兩端的波形。

　　在圖6-c中，Uda為開關(guān)管Q1關(guān)斷期間，D、S兩極之間電壓的半波平均值，Uda等于輸入電壓ui（ui=U）與變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生反激輸出電壓的半波平均值Upa-之和；Udp為開關(guān)管關(guān)斷期間D、S兩極之間電壓的峰值。Udp和Uda的值均與占空比有關(guān)，當(dāng)占空比等于0.5時(shí)，Uda約等于輸入電壓ui（ui=U）的2倍，而Udp則大于輸入電壓的2倍，并且Udp的值還與漏感Ls的值大小有關(guān)，Ls的值越大，Udp的值也越大。

　　這里順便指出，圖6-b的波形是很難測(cè)量到的，因?yàn)榉植茧姼蠰s與分布電容Cs產(chǎn)生自由振蕩的過程，基本上都在變壓器內(nèi)部的分布電感與分布電容之間進(jìn)行，用儀器很難直接進(jìn)行測(cè)量；但通過測(cè)量變壓器次級(jí)線圈的波形，也可以間接測(cè)量圖6-b中波形的振幅；而圖6-c的波形可以直接進(jìn)行測(cè)量，兩者的振幅均與分布電感Ls的數(shù)值大小有關(guān)，還與等效電阻R的阻值有關(guān)。分布電感Ls的數(shù)值越大，振幅也越大，等效電阻R的阻值越大，振幅也越大。

　　當(dāng)自由振蕩很強(qiáng)時(shí)，自由振蕩會(huì)通過電磁輻射的形式給周邊的電路或電子設(shè)備造成EMI干擾。這一點(diǎn)在進(jìn)行開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必要注意，應(yīng)該盡量減小分布電感Ls的數(shù)值。

　　下面我們進(jìn)一步通過數(shù)學(xué)的計(jì)算方法來對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

下節(jié)將繼續(xù)報(bào)道：對(duì)漏感與分布電容的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，敬請(qǐng)關(guān)注。

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