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开关电源中的阻尼振荡 [复制链接]

  网友【aq1261101415】发了篇帖子《开关电源波形》,谈到了反激电流断续状态开关管两端波形,并且贴出了实测波形图如图(01):

1反激电流断续状态开关管两端波形aq1261101415.jpg 图(01)
  表示对T4时间段内的阻尼振荡波形产生的原因不理解。
  
  反激典型电路如图(02),此图中画出了变压器的分布参数。其中红色Le是变压器初级对次级的漏感,红色Cp是初级绕组自身的分布电容,红色Cs是次级绕组自身的分布电容。变压器次级对初级的漏感(与二极管D2串联)并未在图中画出。

2反激阻尼振荡1.png 图(02)
   图(01)波形中,最下面的平底是功率开关管导通阶段,T1T2T3T4是功率开关管关断阶段。T1T2T3阶段中,变压器将功率开关管导通阶段存储在变压器铁芯中的磁能经二极管D2释放到电容C2中。此阶段中变压器次级电流不断减少,次级两端电压等于电容C2两端电压加上二极管D2正向压降。此阶段中,变压器初级两端电压等于次级两端电压反射到初级的电压,即次级两端电压乘以变压器匝数比。而功率开关管两端电压等于初级两端电压加上直流电源电压,所以功率开关管两端电压比电源电压要高,高出的部分恰是次级两端电压反射到初级的电压。
  T3时间段结束时刻,次级电流降为零,二极管D2关断。注意此时功率开关管是关断的,次级整流二极管D2也是关断的。此时刻次级绕组自身的分布电容Cs两端电压为输出电压Vo,初级绕组自身分布电容Cp两端电压等于Vo反射到初级的电压。我们再注意到Cp和变压器初级电感构成了LC振荡回路,此振荡回路的初始状态(时间T4的开始时刻)为电容Cp两端具有一定电压Vo*Np/Ns,其中Np为初级匝数,Ns为次级匝数。另外,Cp的数值还要考虑到次级绕组的分布电容Cs反射到初级的数值。实际上,此LC振荡回路中的电容是初级自身分布电容Cp与次级自身分布电容反射到初级的数值的和。
  一个LC振荡回路,初始状态(时间T4的开始时刻)电容两端具有一定电压,显然这个LC回路将发生阻尼振荡,如果绕组的电阻不是非常大(Q值非常小)的话。阻尼振荡的频率由初级电感和分布电容决定,衰减的速率由该振荡回路的损耗决定。因为初级的功率开关管处于关断状态,次级的整流二极管也处于关断状态,损耗只有绕组的电阻,所以衰减不是很快。这就形成了图(01)时间T4阶段的衰减振荡波形。
  我们还可以看出:这个衰减振荡波形最终将停止在Vdc上。也就是说,衰减振荡停止后,功率开关管两端电压等于直流电源电压。
  以上是网友【aq1261101415】疑惑的电流断续反激电路T4阶段阻尼振荡的由来。
  我们还可以看出来:如果该反激电路工作于电流连续状态,则T4阶段不会产生,因为在二极管D2中电流降到零之前,功率开关管已经导通,变压器初级电感和自身分布电容构成的LC振荡回路总是具有相当小的电阻并联于LC回路上:在初级是功率开关管,在次级是负载两端的滤波电容和负载电阻。所以不会出现这种阻尼振荡波形。
  
  网友【光芒。】也发了一篇帖子《BUCK电路的几种模式下各点波形》,对电流断续工作状态的Buck电路中电感两端阻尼振荡波形表示不理解。

3Buck电路的阻尼振荡 光芒。BUCK电路的几种模式下各点波形.jpg 图(03)
  其实,工作于电流断续状态的Buck电路中阻尼振荡波形的产生原因和电流断续状态反激电路阻尼振荡波形的产生原因是一样的。

4Buck电路中的阻尼振荡.png 图(04)
  图(04)是个Buck电路。图中红色的是电感自身的分布电容C。
  图中功率开关管G导通时,直流电源V作用于电感L和电容C3,电感中电流线性增加。然后功率开关管G关断,电感L中储存的磁能转换成电能,续流二极管D导通,电感中的电流仍然对电容C3充电并且同时供电给负载。电感L两端电压等于电容C3两端电压加上二极管D的正向压降。
  某一时刻续流二极管D中电流降低为零,二极管关断。但此时刻功率开关管G并未导通(否则就不是电流断续工作状态了)。
  我们看看二极管D中电流降低为零时刻电感L两端电压是多少。忽略二极管压降,电感L在D中电流降低为零时刻两端电压就是电容C3两端电压。
  现在我们可以看出:电感L和自身分布电容C构成一个LC振荡回路,而这个回路在此时刻两端具有一定电压。显然这个LC回路将发生阻尼振荡,如果电感L的电阻不是非常大(Q值非常小)的话。阻尼振荡的频率由初级电感和分布电容决定,衰减的速率由该振荡回路的损耗决定。由于续流二极管D和功率开关管G都关断,产生损耗只有电感的电阻,所以这个阻尼振荡衰减不是很快。
  我们可以看出:如果续流二极管D关断时功率开关管G已经导通(Buck电路的电流连续工作状态),则电感L和自身分布电容构成的振荡回路不可能产生阻尼振荡,因为功率开关管导通后直流电源V以及输入电容C1还有电容C3及负载并联在振荡回路上,衰减相当大。续流二极管D导通期间则是电容C3和负载并联于振荡回路上,衰减也相当大。
  
  上述阻尼振荡,都是没有考虑电感自身分布电容的结果。在Boost电路、Buck/Boost电路中如果电流断续,也会看到这种阻尼的衰减振荡。很多讲开关电源的书籍中介绍的波形都是忽略电感自身分布电容的,波形也是平直而没有阻尼振荡的。那是因为在开关电源课程的开始就考虑所有分布参数,会影响学生对开关电源基本工作原理的理解。先仅仅考虑理想元件,理解了开关电源工作原理后,再逐步加入非理想的分布参数,是比较好的方法,也是合理的顺序。但若理解了开关电源工作原理后仍然不考虑元件的分布参数,那学生就无法进一步提高知识水平。
  

 


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