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无损吸收电路探讨
阅读: 4730 |  回复: 34 楼层直达

2017/09/05 21:42:51
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boy59[版主]
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LV8
师长

QQ截图20160321155901  【有奖DIY】工程师本色上演 设计征集活动

QQ截图20160321155901 日本之旅(一)回忆感超强的历史,充满期待的未来 你要不要也来看看




无损吸收是要实现将变压器漏感或励磁电感的能量返回或吸收并再次被利用以提高效率的目的。目前见到过的无损吸收电路大多是如下这种结构:

             1-1 桥式结构

1-1中每一支路上的元件都可以用电容、电感、二极管、开关管、变压器替代以实现不同的电源拓扑,并且支路上也可采用多元件组合来替代以构成更为复杂的拓扑结构。

这种桥式结构之所以能够吸收和再利用能量是因为它是一种非常对称的结构,见下图

                               1-2 对称结构

能量可以在图中的四个环路中往复循环,如果某一支路断开这个循环就不能继续下去,正激、反激电路就是这类缺了某个支路的不完美的电路。

吸收电路计算-2.rar

标签 仿真
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2017/09/06 00:07:06
2
flying123
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LV4
连长
沙发
2017/09/06 15:59:02
3
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

先从反激LC吸收电路开始分析,电路见下图

                                     1-3 反激LC吸收电路

上图的工作原理:当Toff时刻漏感和部分励磁电感能量被钳位电容Cclamp吸收(环路1),电感L2能量返回电源(环路3);当Ton时刻钳位电容Cclamp驱动电感L2(环路2),电源驱动励磁电感(环路4未画)。

下面试着用公式和仿真来找出这种电路的设计方法及其所存在的问题。

2017/09/06 16:52:34
4
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

1、         电路始终工作于断续模式

                   1-4 断续模式时钳位电容的吸收公式及推导过程

上述公式中的k是只指漏感百分比,通常k=1-5%

2017/09/06 17:21:50
5
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

              1-5 L2电感断续模式能量回收公式

当电路平衡是功率P1=P2推出钳位电容上的电压

这个公式描述了断续模式下已知电路钳位电压Vclamp与输入电压和回收电感L2的关系。

2017/09/06 18:51:57
6
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

电路中如果持续增大电感L2会使电感L2进入连续工作模式,电感L2连续模式下的公式推导如下

                                 1-6 回收电感L2连续模式公式推导

因为电感L2是连续模式所以可以利用伏秒平衡公式,不过受主励磁电感断续模式影响伏秒平衡的时间是如图1-6中所示的Doff2,又因Vds电压在主励磁电感能量消失后不是线性变化所以公式中加了个调整因数kb=1.01

公式同时计算电感L2在连续模式和非连续模式下的钳位电压Vclamp2Vclamp1,通过判断大小可知电路是工作于哪种模式下从而选取正确的Vclamp值,吸收功率P1也将根据所选定的Vclamp来进行计算。

2017/09/07 18:56:43
7
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

断续模式下的详细电流波形如下图

                                                   1-7断续模式电流波形

图中的绿色曲线为励磁电感电流、蓝色曲线为漏感电流、红色曲线为回收电感L2的电流。区域1是电感总储能、区域2是钳位吸收能量、区域3是传递到次级的能量、区域4是钳位电容释放能量(给电感L2充电)、区域5区域6是返回电源的能量其中区域5是经二极管返回,区域6是经变压器漏感返回。电路平衡时区域2=区域4=区域5+6

三个区域的能量公式如下,

再结合两个伏秒平衡公式找出Ipk1Ipk2toff1toff2之间的关系

代入能量公式即可得断续模式下的结果。

当电感L2工作于连续模式时(电感量较大)吸收能量多数是通过钳位电容、变压器、漏感回到电源的,钳位电容电压Vclamp被钳位在Vin左右。

2017/09/08 08:15:53
8
shao456
电源币:76 | 积分:3 主题帖:1 | 回复帖:21
LV3
排长
讲的很不错,占个位置继续听课。
2017/09/08 13:03:31
9
boy59[版主]
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LV8
师长

1、         电路工作于连续模式

                                     1-8 励磁电感连续模式电流波形

励磁电感连续模式的电流波形也分为6个区域,其中toff3toff是重合的,励磁电流波形是梯形波包含波形系数Kp

这里引入输出功率Po为变量以化简掉占空比、峰值电流和波形系数等变量,构建一个Vclamp(Po)函数式。

能量回收的三个区域公式依然不变,

连续模式下需要多增加一组伏秒平衡公式,并且系数中包含了波形系数Kp

根据输入、输出及吸收能量守恒列出方程

上述公式描述的是输出功率=区域1-区域4,通过进一步分析发现区域2能量>区域4,原因是在区域6时刻区域2的钳位能量会通过变压器以正激的方式传递给负载,区域6能量多出的部分虽然没有影响到能量传递但会影响计算所以选区域4来进行能量守恒计算。

上述几个方程式还不足以解出方程,准备再增加一个方程式:区域2=区域4+区域6试试能否解开这个方程组。

2017/09/08 20:17:53
10
boy59[版主]
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LV8
师长

区域6的公式为

区域2-4的公式为

再通过Px66=Px24推出钳位电压Vclamp与输出功率Po的关系式,这个逆推导看起来有些麻烦所以从正向计算入手,见下图

                                   1-9 钳位电压Vc图形计算法

上图以Vc为变量(既Vclamp)从80V变到100VPx24(Vc)曲线与Px66(Vc)曲线的交点既为待求解,用for指令实现自动计算会更便捷。

2017/09/10 17:42:15
11
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

Mathcad计算文件后续会上传

上述为连续模式波形的相关公式,再利用区域2-区域4=区域6就可以解出方程,方法如下

Pxl24(Po,Vclamp)函数和Pxl6(Po,Vclamp)函数在合理的取值范围内都是单调函数,利用一个for循环从最大的Vin+5开始(图中的300)逐渐减1左移当两个函数值相等时就得到了所需的解。上图左边为连续模式函数右边为断续模式函数,再通过if语句对临界功率进行判断就可以获得全功率范围的Vclamp(Po)函数。

2017/09/10 17:43:52
12
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

电路参数:输入100-300V,输出81V,匝比1,电感Lm=97u,漏感Lr=3u,电感L2 200u-2000u,开关频率100Khz,功率0-320瓦。

                               1-10 输入电压100VVclamp(Po)关系图

                               1-11输入电压300VVclamp(Po)关系图

目前用的钳位电容比较大,当选用恰当的电容时Vclamp会叠加一个△Vclamp,波形也会变的非线性这里的公式不知还能否适用。Vclamp(Po)函数可以找出吸收电感的上限,吸收电感的下限或许可以由区域2或者区域4来计算比如P4(Po)/Po,无损吸收(无功)功率也有损耗,当占总功率份额较多时也会降低效率。这里只仿了稳态波形,当功率突变时吸收电路能否快速做出响应,大的L2电感量可能会造成吸收电路响应过慢进而引起Vds电压过高。

2017/09/11 02:46:31
13
av-rgb
电源币:33 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:245
LV5
营长
这么好的帖子居然没人顶。
2017/09/11 02:51:00
14
av-rgb
电源币:33 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:245
LV5
营长
仔细看了,还是没看明白,精简介绍一下ccm模式下lc的选择,因为ccm模式电感大,漏感谢对能量更大。
2017/09/11 18:02:22
15
boy59[版主]
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LV8
师长
有时间我再把吸收功率方程用图描出来,这样可能会更直观的对比出DCM和CCM时漏感所带来的影响。
2017/09/12 20:18:17
16
av-rgb
电源币:33 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:245
LV5
营长
多谢,等待。
2017/09/14 14:19:04
17
boy59[版主]
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LV8
师长

公式做了点调整已更新,图1-8中区域5和区域6中的斜线并不是一条直线而是由两条折线构成。区域5在二极管导通时作用在电感L2上的电压是Vin,区域6作用在电感L2上的电压为Vin+Vor-Vclamp

2017/09/14 14:56:32
18
boy59[版主]
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LV8
师长

通过计算区域4的功率就可以得到吸收功率,当吸收电感L2进入连续模式后会多出一个波形系数Kp2不过此时的VclampVin方程依然可解,鉴于Mathcad运算起来有些慢(不知原因)这部分运算放到新建文件中单独运算,这里只考虑L2为断续模式。

                           1-12 100V输入不同L2吸收功率与输出功率的关系

上图为100V输入不同L2电感时的吸收功率,当L2进入连续模式后吸收功率突变为100*Po无参考意义。

                            1-13 300V输入不同L2吸收功率与输出功率的关系

1-13为输入300V时不同L2电感对应的吸收功率,L2值越大吸收功率越小。

2017/09/14 15:12:07
19
boy59[版主]
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LV8
师长

根据电容储能公式

通过预先设置一个钳位电容可以反算出波动电压的大小(也可先设置波动电压再算钳位电容),再加上平均钳位电压Vclamp就得到了钳位电容上的最大电压Vclamp_Max

2017/09/14 15:24:04
20
shao456
电源币:76 | 积分:3 主题帖:1 | 回复帖:21
LV3
排长
支持一下楼主的无私讲解
2017/09/14 15:35:17
21
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长
 不是讲解只是探讨,期望能发现问题并解决问题。
2017/09/17 01:01:16
22
av-rgb
电源币:33 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:245
LV5
营长
感谢楼主的奉献,还是看不懂,通俗点介绍吧!
2017/09/19 22:08:36
23
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

从仿真结果看,相同参数下输入电压越高吸收功率越少效率越高,断续模式时吸收电路不影响效率(吸收功率/输出功率=定值),进入连续模式后随着功率增大吸收功率增幅变缓效率应变高但这里有个二极管反向恢复引起的损耗没有体现出来。

不管是DCM还是CCM模式,考虑效率的影响时主要看的是漏感百分比。

2017/09/21 19:14:09
24
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长


                                                   图1-14 不同区对应的电流走向

通过对上述电路的进一步分析并利用Saber软件对每一个区的功率进行仿真验证,似乎可以得出更精确的计算公式。

2017/09/24 01:45:18
25
av-rgb
电源币:33 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:245
LV5
营长
继续啊,算好规则我给实践测试,正在做ccm的反激电源,需要pcb我给打样。
2017/10/10 16:15:27
26
120421322
电源币:0 | 积分:0 主题帖:24 | 回复帖:110
LV6
团长

许多人对于无损吸收不是很了解,我也一样,但刚刚看了图,第一张就是网上流传最广泛的,我认为这个图应用在反激不太合适

无损吸收的初衷是能量回收,所以必然是将漏感能量转换到母线上来,所以就需要转换器,拓补.

这样的话,在变压器退磁的时候,VDS是高过VIN的,所以要把能量从VDS转换到VIN去,最合适的莫过于BUCK了

这是最简单的BUCK,想象一下把输出C比作反激母线的大电解C,箭头所指的位置为MOS管的D极,变化为下面的图

中间加一个C2,只吸收漏感能量,而不吸收励磁能量,所以上图应该是反激无损的正确接法,各位指正一下,是不是这样?

2017/10/10 22:30:41
27
boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长
这种接法吸收电路是不能正常工作的,单看电容C2只能吸收能量而无能量释放回路(复位)。另外励磁能量一定会被吸收的,吸收的多少受钳位电压影响。
2017/10/11 10:38:40
28
120421322
电源币:0 | 积分:0 主题帖:24 | 回复帖:110
LV6
团长
是,我这个C在这里有问题
2017/10/11 10:48:53
29
120421322
电源币:0 | 积分:0 主题帖:24 | 回复帖:110
LV6
团长

这种应该可以工作起来

2017/10/11 11:34:35
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boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长
C2可以复位却不能驱动吸收电感也就无法实现无损吸收,C2中储能大部分都会消耗在电阻R上。
2017/10/11 17:35:08
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120421322
电源币:0 | 积分:0 主题帖:24 | 回复帖:110
LV6
团长

为啥不能驱动电感?

图1-1,我没用过,但看上去参数不好取啊,开关断开的时候,能量瞬间会把C充满,很容易把LCD中点充到0甚至负,而导通的时候,LCD中点又不一定很快能超过VIN,不知道我的逻辑对不对?

另外如果上图我把电阻R换成电感,是不是就不消耗而是回收了呢?

2017/10/11 18:05:48
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boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

开关关断时LCD中是有可能为负或0所以一般都采用图1-3的电路(多一个二极管),开关导通时LCD中点为负值。

如果把电阻R换成电感再去掉左边的二极管和电感(短路),电路不是不跟图1-3一样了?

2017/10/12 21:35:56
33
120421322
电源币:0 | 积分:0 主题帖:24 | 回复帖:110
LV6
团长
哈哈,抱歉,我到现在都没有仔细看您的帖子,因为我一看到公式和算法就头疼
2017/10/12 22:56:13
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boy59[版主]
电源币:109 | 积分:54 主题帖:38 | 回复帖:175
LV8
师长

都一样看到公式就头疼,只是有时为了解释或证明不得不用公式。

引用一个故事。英国物理学家霍金创作过一本科普名著《时间简史》,在该书的前言里,他曾这样写道:“有人告诉我,我放在书中的每一个方程都会使本书的销售量减半,为此我决定一个方程也不用。然而,在最后我确实用了一个方程,即爱因斯坦著名的方程(E=mc^2),我希望这个方程不会吓跑一半我的潜在读者。” 

2017/10/13 09:14:38
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linmin56
电源币:130 | 积分:0 主题帖:10 | 回复帖:33
LV3
排长
的确是好帖,好好消化,受益匪浅!
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