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通过二极管控制感应电压尖峰

解决电厂带来的问题在于两方面:或是防止出现近乎无穷大的感应电压尖峰,或是尽力控制此峰值为一有限值,方程V=LdI/dt表明这样可防止出现电流阶跃(近似无穷大的电流)。虽然已经进行了上述分析,但是我们仍然没有实现从电感电路中导出可用的电源这一根本目标。

以下具体阐述如何同时解决上述所有问题,并导出最早的电源拓扑。

产生感应电压尖峰的原因是电路中无法提供电感电流所需回路,从而在开关上产生电弧以维持电流续流。

若在电路中提供一续流回路,则可能解决此问题。关断开关时电感电流会流过此续流回路,电感就不产生电压尖峰。此后开关导通时再将此电流送入开关,从而可以以一特定开关频率重复导通、关断开关。

下图设计了此续流回路,放置二极管后此回路仅在开关关断后自动工作。

为便于分析,下图中使用具体数字举例说明。设输入电压为12V,肖特基二极管典型压降为0.5v,假定开关为理想器件(无压降),可得以下结论。

1.开关导通,电感L上端电压为12v,下端电压为0(接地),二极管承受反向电压而不导通,外加直流源给电感充电。
2.开关关断,电感电流通过二极管流过续流回路,毫无疑问感应电压会迫使二极管导通。这要求二极管正向偏置,即其阳极电压要比阴极电压高0.5v,而此时二极管阳极接地,因此其阴极电压需降到0.5v以下。开关关断时电感两端电压的值也为0.5v。
3.感应电压在开关关断期间反向。
4.开关导通期间电感和开关电流上升率为Von/L,开关关断期间电感和二极管电流下降斜率为Voff/L。
5.若等等足够长时间,电感电流会降为零(电感复位)。但若未等足够长时间就很快再次导通开关,则电流还会上升(爬高)。
6.开关和二极管波形都为波浪型,二者交替流过电感电流,开关型功率变换器实际情况就如此。

总之,为电流增加了续流回路后,电感不再产生不可控的感应电压尖峰,但同时使电流渐升,同样无法得到所期望的合法输出。事实上,上图仅实现在开关关断阶段通过二极管将电感在导通阶段的俼消耗一部分。



西方节选自《精通开关电源设计》,由镭之源激光电源整理

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