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AHB不對稱半橋反激電路設計(五)AHB拓撲調試與器件應力檢查

接上一篇,確定VCC穩(wěn)定后,需要調整諧振電容已達到最佳效率

確認AHB電路器件應力前需要先調試諧振電容容值,之前計算得諧振電容容值為165nF, 我這里選擇100nF+68nF CBB電容并聯。具體計算可查閱:《AHB不對稱半橋反激電路設計(二)主要器件參數規(guī)格計算》

調試方法為:用電壓探頭夾在副邊整流管Vds, 電流探頭測量副邊Id(變壓器電流輸出處)。

下圖中黃色波形為副邊Vds波形(關斷),藍色為副邊電流波形。

將輸出調整至額定負載輸出,觀察副邊Vds諧振峰值是否超過耐壓值(A點),副邊是否為ZVS(B點)。

圖中諧振電容容值為Cr=220nF,圖中可以看出A點,B點有明顯的震蕩,表示此時副邊并未達到ZVS。

根據諧振頻率公式

由公式可知,需要增加開通時間,需要減小諧振時間,由于漏感值有變壓器繞制時決定了,無法改變,所以只能通過改變Cr容值來調整。增大Cr,頻率變小,諧振時間增加,副邊硬關斷損耗會更大,且震蕩會根據劇烈。所以這里需要減小容值,從而減小諧振時間,讓Id解決零時,關斷副邊MOS。

將Cr調整為Cr=168nF時

我手上只有100nF和68nF電容,所以用兩顆進行并聯。

測試波形如下圖

圖中可以看出,當Id降低后關斷副邊MOS,硬開關的情況得到改善,實測電源效率提升了近1%

繼續(xù)減小電容到100nF

可以看到死區(qū)時間增加,但是這樣情況也是不好的,會減小電源的效率。因為在周期內副邊的供電會更不是負載的消耗,導致輸出損耗增加。包含變壓器銅損,輸出電容ESR損耗等。這點從示波器上最大電流和有效值電流的變化可以看出。

完成滿載調試后需要將負載調整至芯片變頻模式的最低點。因為IC在70-100%負載條件下是一個固定占空比,調整頻率的控制頻率。具體控制模式可以查看《芯片控制模式

不同廠家芯片控制模式是否一樣我不確定,大家可以自行查閱規(guī)格書

在滿載變頻工作模式下,負載越低其頻率越高,所以導通時間會隨著變短,副邊會出現硬開關的情況,這點很難避免,所以我們需要確定在這個進行狀態(tài)下副邊Vds電壓是否超過MOS耐壓

查規(guī)格書可以看出滿載變頻模式,頻率最高點為額定負載的70%作用,本例額定電流為6.25A,其70%為4.3A。將負載調整到4.3A處查看結果如圖

從上圖可知,副邊尖峰已達到124V,高壓耐壓120V。這時有2種調試方案。

方案1:繼續(xù)調小諧振電容容值,直至全范圍內Vds尖峰在MOS管耐壓范圍內。

方案2:在副邊Vds加RC吸收電路,抑制尖峰。

由于這2種方案都會帶來效率的損失,所以在沒有經驗值查看下,可能需要嘗試2種方案來最終決定那個方法最優(yōu)

Vds RC吸收調試

通過示波器測得震蕩頻率為13.88MHz

在Vds兩端加一顆3.3nF電容后測頻率為5MHz, 將上述數據添加到計算表格得RC取值

取R=22Ω,C=3.3nF,Vds波形改善

注意這里是RC是屬于耗能電路,實測效率下降了0.7%。所以并不是吸收越多越好。

將電容值調整為1nF后,效率下降0.3%。波形如下

繼續(xù)減小C到330pF,如圖

具體調到多少需要再滿足MOS耐壓的前提下平衡EMI和效率,大家根據自己的項目情況自行調整我這里就不再贅述了

是否一定要做大副邊ZVS效率最高呢?答案是否定的,因為越短的諧振周期意味著副邊電流應力會更大,從之前的測試結果上看Cr=100nF時,副邊電流峰值為21A,有效值9.76A。調整為168nF后,峰值降低為18.4A,有效值9.4A。在加大220nF,副邊電流峰值為16.8A。

由已知峰值電流的大小會影響變壓器磁芯損耗,而且副邊電流的變大也會帶來銅損的增加。所以不能一味的追求ZVS。

我在副邊Vds增加RC吸收后,實測其效率與168nF不加RC吸收電流的效率基本一致。

下圖是220nF HB點電壓波形和副邊ID電流波形圖。

諧振電容Cr兩端波形

檢查占空比和頻率,由于示波器測量的周期涵蓋了死區(qū)事情,所以示波器上顯示的占空比和之前計算值不同,因為計算時,為了簡化計算我們忽略了死區(qū)時間和Llk對周期的影響故計算值會偏大。

檢測時間開通時間與關斷時間,是為了確定變壓器能完全退磁。這里用電流探頭夾諧振電容輸入,并用電壓探頭夾副邊Vds

我示波器只有2通道,且只有一個隔離電壓探頭,所以我沒有直接測量上下管,來測量死區(qū)時間

上圖藍色為原邊電流,黃色為副邊Vds波形

從測量值得Ton時間為2.92us,Toff時間為4.32uS. 實際占空比D為0.4.滿足最大占空比限制要求。

測試器件的應力是否在合理

PFC電路

PFC開關管處Vds電壓波形

由于sy5072B 能進行QR關斷,所以除了查看Vds尖峰是否除以安全范圍內,我還會確認一下MOS管是否在谷底導通。

查看Vds最大值示波器測試方法:將示波器觸發(fā)點設置在目標值,然后開啟單次觸發(fā),如果超過限制值示波器會捕捉到。如果一直沒有觸發(fā),代表Vds處于安全范圍內。

還有一個方法就是調大水平時基到1-2S,查看最大值是否超過限值

輸出電容電壓波形

這里需要檢查電容的最大值和紋波是否處于設計目標內。

整流二極管波形

AHB電路

需要檢查上下管峰值應力是否處于安全值

HB點下管對地Vds波形

諧振電容VIN端對地波形

以上是AHB電路的調試過程,其中對于不同負載狀態(tài)下的應力也是需要檢查的,由于篇幅的原因我這里就不單獨列出了

對于沒有電流探頭的朋友,調整諧振電容時判斷是否為ZCS的朋友,可以通過觀察副邊Vds關斷前是否有平臺來得知是否為ZCS。如圖中紅圈處所示

另外還有一個方法就是不加RC吸收,觀察副邊Vds是否有震蕩。

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