全桥转换器整流器踢

电器工程 二极管 H桥 直流-直流转换器 整流器 转换器
2022-01-02 05:18:08

我正在构建一个 8kW 隔离式 DC/DC 转换器,全桥拓扑。 在此处输入图像描述

我在二极管上看到了一些有趣的现象。当每个二极管反向偏置时,二极管上会出现电压尖峰,然后稳定到预期的直流总线电压。这些是1800V 快速二极管(320nS 规范的恢复时间),峰值达到 1800V,次级只有 350VDC,远低于我的输出电压目标。增加死区时间无济于事;当二极管反向偏置时,反冲仍然出现,并且同样大。

我怀疑输出扼流圈在死区时间内使二极管保持正向偏置。然后,当变压器电压在另一个半周期开始上升时,二极管会立即反向偏置足够长的时间,从而在变压器绕组上出现短路。然后当二极管恢复时,电流被切断,导致我看到的踢。

我已经尝试了几件事。有一次,我添加了一个与我的电桥并联的反激二极管。 在此处输入图像描述 我使用了与桥中相同的快速恢复二极管。这对尖峰没有明显影响。然后我尝试在我的电桥上并联一个 0.01 uF 电容。 在此处输入图像描述

这将尖峰降低到更易于管理的水平,但该电容的反射阻抗在初级上造成了重大问题。我的缓冲帽温度翻了一番!

有几种可能性出现:

1)我错误地诊断了问题。我有 95% 的把握我看到了我认为我看到的,但我以前错了。

2) 使用同步整流器。我不应该有反向恢复问题。不幸的是,我不知道在这个功率范围内有任何反向阻断 JFET,并且没有反向阻断 MOSFET 这样的东西。在这个功率范围内,我能找到的唯一反向阻断 IGBT 的损耗比二极管差。

编辑:我刚刚意识到我一直在误解同步整流器的性质。我不需要反向阻断 FET;FET 将导通漏源。

3) 使用零恢复二极管。再次,损失和成本问题。

4)冷落踢。这看起来会消耗太多功率,大约占我总吞吐量的 20%。

5) 添加与二极管一致的可饱和磁芯。我能找到的两个最大的可饱和核心几乎没有影响我的踢腿。

6) 使用零电流开关谐振拓扑。我在这方面没有经验,但听起来如果初级电流变化更平稳,次级电压也应该变化更平稳,让二极管有更多时间恢复。

有没有其他人处理过类似的情况?如果是这样,您是如何解决的?编辑:这里的初级侧 FET 数据表

3个回答

鞭打 FRED

具有变压器隔离的电压馈电转换器将在次级显示振铃。振铃是由电路中的寄生电感和电容引起的,主要因素是桥式二极管的变压器漏感(\$ L_ {\text {Lk}}\$)和结电容(\$ C_j\$) . 二极管数据表显示 \$ C_j\$ 为 32pF。我将天真地猜测 \$ L_ {\text {Lk}}\$ 为 500nH,但必须测量才能真正知道。因此,必须忽略 500nH 和 32pF 的 LC。

没有缓冲的尖峰幅度将是 \$ 2 n V_ {\text {in}}\$,其中 \$ n \$ 是变压器匝数比,因子 2 是高 Q 谐振得到的。

有不同类型的电压缓冲器;钳位、能量传输共振和耗散。钳位和谐振类型需要更多的部件和一些有源开关的参与,我认为这使得它们在这种情况下不切实际。因此,我将只介绍耗散缓冲器,因为它们是最简单的并且与无源开关(如二极管或同步整流器)配合得很好。

我将介绍的耗散缓冲器的形式是与每个桥式二极管并联的串联 RC。

关于 RC 阻尼缓冲器的一些事实:

  • 它们都是关于阻抗匹配的。您无法选择缓冲电阻值 \$ R_d\$。寄生 LC 通过特性阻抗 Zo 为您确定。
  • 您可以选择缓冲帽 \$ C_d\$ 的值。这很重要,因为上限值将缓冲损失 (\$ P_ {\text {Rd}}\$) 设置为 \$ C_d FV^2\$ 。其中 V 是基座电压,F 是开关频率。缓冲电容必须在寄生元件的 LC 谐振处提供低阻抗,因此它需要是 \$C_j\$ 的几倍。

一些指导方针,以及 RC 阻尼缓冲器的期望:

  • 对于 500nH 的 \$ L_ {\text {Lk}}\$ 和 32pF 的 \$ C_j\$,Zo 将为 125Ohms。因此,\$ R_d\$ 将是 125 以匹配 Zo。您可能需要稍微微调一下,因为 \$ C_j\$ 是非线性的并且会随着反向电压而下降。

  • 选择缓冲帽 \$ C_d\$ :选择 \$ 3 C_j\leq C_d\leq 10 C_j \$ 。该范围内的较高值确实提供了更好的阻尼。例如,\$ 3 C_j\$ 的 \$ C_d\$ 将导致 \$ 1.5 n V_ {\text {in}}\$ 的峰值二极管电压,而 \$ 10 C_j\ 的 \$ C_d\$ $ 将导致峰值二极管电压 \$ 1.2 n V_ {\text {in}}\$。

  • 对于大于 \$ 10 C_j\$ 的 \$ C_d\$ 值,耗散缓冲器性能不会提高。

功率损耗\$ P_ {\text {Rd}}\$,基座电压为1250V,F为50KHz。

  • 如果 \$ C_d\$ 是 \$ 3 C_j\$ 或 100pF,则 \$ P_ {\text {Rd}}\$ = \$ C_d FV^2\$ 或 7.8W。
  • 如果 \$ C_d\$ 是 \$ 10 C_j\$ 或 330pF,则 \$ P_ {\text {Rd}}\$ = \$ C_d FV^2\$ 或 25.8W。

\$ C_d\$ of \$ 10 C_j\$ 的峰值电压为基座电压的 1.2 倍,可提供最佳阻尼,但如果您能承受较高的峰值电压,则可以使用较小的缓冲帽节省一些功率。

这是一个经典的缓冲问题。二极管不能瞬间从导通变为阻断;PN 结中的电荷需要被扫除,并且每个二极管上的 RC 缓冲器应该对此有所帮助。

我曾经设计工业软启动器,在中压装置上,我们围绕这个特定方面进行了大量设计工作。自从我在这个特定行业工作以来已经有很长时间了,所以我不记得缓冲值,但我可能会从 0.1uF 和 49 ohms 开始,看看事情从哪里开始摇摆不定。

60A反向恢复电流!(来自数据表)必须去某个地方......

像 Andrew Kohlsmith 一样,我的第一个想法是在每个二极管上使用 RC 缓冲器,但除非你能找到类似功率的先例,否则我不愿意给出答案。安德鲁似乎有经验做出这样的判断。没有在工业电源上工作过,我没有!

但是让我们计算一些数字:由于您的正向电流平均约为 25A (8kw,350V),因此我们对 Irm 使用相同的值 - 25A * Trr=230ns 给出 5.75 uC 的大致存储电荷,这将为 0.1uf 电容器充电到更易于管理的 57V。但是 25A * 49R 有点高(!) - 这个粗略的计算表明 4 欧姆(甚至 2 欧姆)而不是 49 作为缓冲电阻的起点。

我再说一遍:我没有从事过工业电力方面的工作,所以这就是数字对我说的。鉴于这些数字,我将感谢 Andrew 的评论。