有源缓冲电路分析与仿真

最近涉及到缓冲电路，将相关学习总结如下，欢迎各位大佬多多指导！未完待续~~~

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一、原理

　　目前，耐压越低的Mosfet的参数特性越理想，高压Mosfet的参数特性劣于低压Mosfet。因此，能在低压侧完成的吸收就不要放在高压侧实现。

　　缓冲电路的本质是对漏感能量或者二极管寄生电荷向吸收电容转移，并在合适的时候，将吸收电容能量释放到负载或者电路中。

　　1.1 优点

• • 　　降低开关管的最大关断尖峰
  •        降低开关管寄生二极管的反向恢复损耗
  • 　　降低开关管的关断振铃
  • 　　与无源缓冲电路相比，没有缓冲电感
  •         控制灵活，损耗较低

　　1.2 特点

　　　　一般来说。整流电路的额定值是开关管关断尖峰电压的1.2~1.5倍。有的定义稳态尖峰不超过额定值的80%，启动或者保护状态尖峰不超过90%或者95%。

　　　　无源RCD缓冲电路存在损耗，导致效率略微降低，且仅用于开关管关闭而非开启期间。

　　　　无源LCD缓冲电路存在电感L设计复杂，体积较大。

二、分析及仿真

　　2.1 主拓扑分析

　　　　下图所示的主拓扑，原边是全桥逆变电路，副边是全桥整流电路。后面使用PMos和电容做了一个有源缓冲电路，主要目的是降低同步整流管的关断电压尖峰。

 

 　　原边驱动是由两路占空比相同，相位相差180°的PWM信号，通过调节原边驱动占空比的大小，可以改变输出电压增益。副边同步整流管的驱动，仅仅在副边绕组上有电压时，关闭相应的同步整流管。当变压器副边绕组没有电压时，副边同步整流管全部导通，用于给副边输出电流环路提供电流通路。

　　有源缓冲部分，仅仅当副边绕组电压变化为非零时，Pmos导通，为漏感和二极管反向恢复电流转移到Csnb提供通道。当副边绕组电压为零时，Pmos关断，让缓冲电容放电。

 

 

　　2.2 PMos 应用电路分析

　　　　与NMos应用电路相似，PMos应用电路也有同步整流模式和开关模式。由于PMos器件的特性，当V_sg > |V_th|时，才能导通，因此需要负压驱动。

 

　　2.3 驱动电路分析

　　　　在工业产品中，如果采用负压芯片产生负压成本较高，而且还需要使用隔离驱动芯片。

　　　　因此，在同步整流模式下，工业上常常采用电容充放电来提供负压。

　　　　驱动充放电路径如下所示：

　　　　实际Req>>R1,所以C1上面存在一个直流电压偏置。该直流电压偏置几乎等于驱动电压的最大值。

　　　　R1的主要目的是调节C1的充放电速度。

　　2.3 仿真

　　　　使用LTspice 搭建如下仿真模型，

　　　　仿真结果如下图所示：

 　　　　图中红色为驱动输入电压，绿色为Pmos端的驱动电压波形，彩色为当电阻R₁从10欧逐渐增加到2000时，电容C₁上的电压波形。

　　　　仿真结果显示，电阻R₁太小，导致电容充电速度较快，但是电容放电下降速度也较快，容易Pmos提前关断。电阻R₁太大，导致充电速度较慢，影响Pmos驱动电压的幅值和Slew rate。

 　　　　图中红色为驱动输入电压，绿色为Pmos端的驱动电压波形，彩色为当电容C₁从0.5nF逐渐增加到10nF时，电容C₁上的电压波形。

　　　　仿真结果显示，电容C₁太小，导致电容放电速度较快，难以维持Pmos驱动电压波形，Pmos提前关断，电容C₁太大，导致充电速度较慢，影响Pmos的开通速度。

 

三、改进

　　3.1 主电路部分

 

　　　　为了避免缓冲电容Csnb较大的谐振电流，因此在缓冲电路里面加上一个阻尼电阻。为了避免原边驱动占空比之间的差异导致变压器饱和，因此，在原边交流开关回路增加一个隔离电容和一个电容放电电阻。

 

 

　　3.2 驱动电路部分　　

　　上图所示的Pmos驱动电路，充放电路劲同时受到电阻R₁的影响，为了减小电容的纹波，需要降低降低放电速度，增加放电回路的阻抗。同时，为了增加第一个驱动波形的可靠性，需要提高电容速度，减小充电回路的阻抗。因此，下文推荐一种分离充放电路径的电路。

 

　　　　该电路使用一个二极管和电阻分离了电容充放电回路，电阻R₁>>R₂,电容充电时，大部分电流流经R₂，放电时大部分电流流经R₁.