无损吸收网络在电源技术中的应用
方良杨浩重庆大学电气工程学院电工理论与新技术系（重庆400044）
薛建平王学纪中国航天科技集团771研究所（西安710075）
1前言
无损吸收网络也称为谐振吸收网络。它能够把从输入或输出电路中吸收的能量进行再利用，或者传输给下一个周期。无损吸收网络包括电流和电压吸收网络、上升沿与箝位二合一型电压吸收网络。无损吸收网络和有损吸收网络的基本原理一致，但是普通的无损吸收网络没有衰减（即损耗功能），而为了抑制三次谐波常常在无损吸收网络中使用小电阻器。
2无损电压吸收网络
电压吸收网络通过把能量转移到电容器中来控制电压，而在有损吸收网络中，这个能量从电容器中释放出来并转化为热能。在无损吸收网络中传输能量的方式，一种是反馈给电源，一种是传输给负载，或者使能量在吸收网络内部循环。本文仅介绍几种无损电压吸收网络（谐振能量恢复电压吸收网络）的基本类型。在一些应用中，特别是与电流吸收网络一起使用时，无损电压吸收网络将变得非常复杂。
3双端电压吸收网络
该网络的基本电路之一是由三个二极管、两个电容器、一个电感器（3D－2C－1L）组成的电路，如图1a所示。该网络与一般开关电路的连接如图1b所示。这个吸收网络可以应用到所有三相变换电路、降压电路、升压电路及降压升压电路中。这是一个上升沿控制型吸收网络，它不能用于箝位电路。通常情况下，两个电容器的大小相同，两个电容器和电感器的谐振频率高于开关频率。
为了理解吸收网络的工作状态，假设图1b中的开关管断开，电感器电流流过主二极管，两个电容器放电。当开关管导通时，吸收网络必须复位。由于开关管导通时，二极管D1和D2将关断，吸收网络电感器L1两端施加电压VCC。电流流过与电容器谐振的电感器，直到电流为零，此时与电感器串联的二极管关断，因此两个电容器上的电压被充到VCC，吸收网络为开关管断开做准备。当开关管断开时，所有流过主电感器的电流将流入两个电容器。与电容器串联的两个二极管导通，使两个电容器并联。两个电容器控制开关管的电压转换速率。因电容器吸收了所有的电感器电流，开关管的关断损耗非常小。当电容器放电结束时，主二极管箝位吸收网络的电压，为下一个周期开始做准备。
图1双端电压吸收网络的结构和与开关电路的连接
进行设计时，首先要知道开关管峰值电流的大小、VCC的最大值以及要求的开关管电压上升时间。两个并联电容器的大小可以根据下式计算出。 2C=I·tr/VCC，式中C是其中一个电容器的值（C1与C2的大小相同），I是开关管的峰值电流，tr是要求的最大上升时间，VCC是最大的电源电压。
电容器的充电时间是两个电容器与一个电感器串联的一个完整谐振周期的一半。这个时间周期必须小于预期的开关管导通的最小时间。否则，吸收网络将不能完全复位，而且将增大开关管损耗。一旦知道了复位时间，电感量可根据下式计算：
其中，L是吸收网络的电感量，t是复位时间。
我们必须知道吸收网络电感器中的峰值电流，这样可以得到串联电感器和二极管的大小，以便控制电流。根据一个周期内的电感器和电容器中存储能量相等得到峰值电流，公式为：。
其中，I是电感器中的峰值电流。一个重要因素是半正弦电流脉冲，当开关管导通时，它必须流经开关管使吸收网络复位。开关管必须可以根据负载电流调整这个电流。
实际应用时，可使一个电容器比另一个大10％～20％，以确保两个电容器中至少有一个可以完全充电到VCC。这样开关管的功率损耗和应力会达到最小。
例如：一个开关管的电流是1.0A，电压是400V，上升时间为400ns。每个电容器的值均为500pF，恢复时间是10μs，得到电感量为400μH，电感器中的峰值电流是316mA。注意，此时带有一个小电容器的二极管的恢复电荷变得非常重要。这个二极管的速度必须非常快，并且有一个非常低的恢复电荷。流过二极管的平均电流很小，所以它们的功率不必太大。如果恢复电荷过大，电容器中储存的能量将不能保证网络在下一个周期复位。
4三端吸收网络
该网络包括三个二极管、两个电容器、一个电感器。它的工作状态与双端电路相似，三端吸收网络如图2a、图2b所示。图2c的电路表明了吸收网络与一般变换器的连接关系。这个吸级网络属于上升沿控制型吸收网络，可以和降压电路、升压电路或者反激电路一起使用。参考图2c，开关管断开时电路开始工作，电容器C1放电，C2充电到VCC。主电感器L0中的电流流过主二极管D0。当开关管导通时，二极管D1、D2关断。VCC施加到吸收网络电感器L1的两端。电流从C2通过L1和D3给C1充电。当C2放电结束时，C1充电到VCC，电感器L1中的电流为0。和电感器L1串联的二极管D3截止。开关管关断一段时间后，流过L0的电流流入吸收网络，通过D2给C2充电，C1通过D1放电，这样来控制开关管电压的上升沿。即使一个电容器正在充电，另一个电容器正在放电，两个并联的电容器也可以有效的工作。三端吸收网络的设计与前述的双端吸收网络的设计基本上是一致的。
41带有中间电压的电压吸收网络
图3a所示的电压吸收网络要求一个中间电压，这使得该网络对于正激和反激变换器非常有用。这种吸收网络是一个三端网络，它可以用作上升沿控制型吸收网络或者箝位型吸收网络。图3b说明了该吸收网络和一般变换器的连接关系。这个电路中，吸收网络作为一个上升沿控制型吸收网络工作。箝位式工作状态的电路是相同的，只是元件值不同。这个电路通常与谐振能量恢复电流型吸收网络一起使用。
图2三端吸收网络及与变换器的连接
图3带有中间电压的电压吸收网络
图4电流吸收网络的基本结构及其与变换器的连接
开关管断开时吸收网络开始工作，电容器被充电到V1－V2。在一个降压或者反激变换器中，这个电压是输入和输出电压之差。当开关管导通时，电容使L1上的电压极性反相，L1和C1产生谐振，直到流过吸收网络的电流为0或者二极管D1导通（D1导通后箝位电压）。图3b中，电容器电压将反相，但不会大于V2。当开关管断开时，主电感器上的电流将流入电容器，通过D1并返回到V2，以此通过开关管控制电压上升沿。当电压足够高时，可以使开关管导通，这时主二极管和电容器将充电到最初状态（V1－V2）。
如果图3b中的V1－V2小于V2，复位结束时，吸收网络电容器上的电压达不到V2。这时，开关管处于零压状态，但不会关断。开关管将在中间电压处断开，中间电压取决于D1导通时那一点的电压。
这个吸收网络的设计过程与前面讲的双端无损吸收网络的设计过程相似。电容值C由公式I=C·dv/dt求得。式中I是开关管中的最大电流，dv/dt是开关的最大电压变化率。电感值L取决于复位时间和电容的大小，L=4t2/Cπ2，t是电容器复位的时间，小于正常工作状态下最小的脉冲宽度。
电感器中的峰值电流可以根据I2=CV2/L计算。
上式中的I是峰值电感电流，V是电容器的初始电压并且等于图3b中的（V1－V2）。
5无损电流吸收网络
电流吸收网络的基本原理是能量存储在一个电感器中，这个电感器控制着开关管中电流的上升沿。无损电流吸收网络和对应的有损电流吸收网络的基本功能是一样的，与开关管串联的电感器控制电流的上升沿。无损电流吸收网络的每一个周期中电感器中存储的能量都转移到输入端或者输出端，否则，这些能量将被损耗。
51反激复位电流吸收网络
通过给电感器加一些绕组，可以把电感器中的能量转移到任何地方并提供过压保护，这个保护是通过在开关管上设置导通率和恢复电压实现的。图4a所示为基本的吸收网络。图4b和图4c表示出把吸收网络和一般变换器连接的两种方法。具体的方法取决于电路是降压变换器、反激变换器（图4b）或者升压变换器（图4c）。尽管其它连接方式可以把能量反馈到输入端，通常情况下还是把能量转移到负载中。
这种吸收网络的设计非常简单。初级电感量和损耗网络中的电感量相同。复位过程中，开关管两端的电压取决于开关管的导通率及电源或负载的电压。
这类吸收网络的主要问题是初次级电感器之间的漏感，它可能在开关管两端引起一个大的电压尖峰。该吸收网络通常与上升和下降时间长的大功率变换器一起使用。也可以和上升沿控制型吸收网络中的变换器一起使用。初次级电感器之间通常要加简单的RC吸收网络。
52谐振恢复电流型吸收网络
图5a所示电路由一般变换器和电流型吸收网络构成。在这种吸收网络中能量被转换为变换器的电压。在箝位状态下，进行吸收网络中的能量恢复。当开关管断开时能量被恢复，开关管两端的电压（输入电压或输出电压）被箝位在变换器中的最高电压。很明显，一个简单二极管可以取代RLD网络，所以必须有充分使用RLD网络的理由。RLD网络的作用是使吸收网络电感器中实际流过的电流尽快地减小到零。如果使用一个简单的二极管，开关管将被箝位，但是吸收网络的电感器两端没有电压，所以二极管将继续导通，直到开关管再次导通，这时二极管作为一个电流吸收部件将不起作用。
图5谐振恢复电流型吸收网络
图5a中的吸收网络为每一个周期中吸收电感器中电流复位为零提供电压。开关管电压在其关断时箝位是这个电路的又一个优点。吸收电容器应该较小，因为吸收电感器能量变化时电容器电压会有相应的变化。电容器上的电压的变化使得电感器电流复位到零。可以利用电感器与电容器之间的能量存储关系计算电容的大小，即C=LI2/V2
式中，C是吸收网络中的电容量，L是电感量，I是开关管关断时的电流，V是电容器上的电压变化量。注意电容较小时，电压较大，电感器复位较快。
复位时间大约是一个谐振周期的四分之一，
式中，t是复位时间，L是吸收网络中的电感，C是电容。
用于使电容器放电的电感器可大可小。如果其值较小，谐振频率比开关频率小。为了抑制半个周期的谐振现象，串联二极管是非常必要的。L和C谐振将使电容器放电，在放电周期的最后，电容器电压将远低于正常值，如同在开始时高于正常值一样。电感量大意味着谐振频率高于开关频率。因为电感器持续导通，二极管可以去掉。电容器上的电压波形是相似的，但放电波形将是一条直线。唯一问题是放电电感器和电容器的谐振频率必须足够高，这样开关管上的瞬间峰值电压将不会超过它的耐压值。如果电容器和复位电感器的谐振频率大于开关频率，电容器上的电压可以随负载电流而变化。必须注意峰值电压不能超过开关管的额定值。
例：图5a所示电路，开关管电流是10A，串联电感器的值是40μH，因为开关频率为100kHz，所以电感器的恢复时间选为10μs，电容器选为0.01μF。电容器的电压变化值将是63V。恢复网络的电感器根据以上讨论可大可小。
图5b所示的吸收网络试图解决稍不同于图5a的问题。开关管导通时两个吸收网络都控制流过开关管中的电流，但图5b所示的能量恢复电路可补偿二极管的关断损耗。吸收网络中的电感器存储着二极管的反向恢复电荷，它可以使二极管工作在过压条件下。图5b中的吸收网络循环使用这个能量。
除工作在箝位状态下以外，图5b中的吸收网络的能量恢复部分与图3b的电压吸收网络一样。开关管断开时吸收网络开始工作，主二极管D0传输电感器L0电流。当开关管导通时，电感器L1中的电流将斜线上升，流过D0的电流将沿斜线下降，最后将达到零而截止。D0两端的电压将不会改变，直到它完全截止。由于在短时间内主电感器电流将不会做有效的变化，D0反向恢复电流随着二极管的截止必须流入吸收网络的电感器L1。一旦D0完全截止，因电感器L1中的电流大于主电感器L0中的电流，电感器L1将使二极管阳极电位为地电位。二极管关断需要的能量存储在吸收网络的电感器中。图5b的吸收网络用于再利用存储在电感器中剩余能量。在D0截止以后，电压降至零，电容器C1通过二极管D1开始充电。电感器L1中的多余能量将转移到电容器中。当开关管关断时，主二极管D0将再次导通，吸收网络放电电感器L2将给吸收网络电容器反向充电。这样就给下一个周期做准备，因为能量恢复网络工作在箝位模式，电容相对较大，它两端的电压将较小。
例：和上个例子相同，如图5b的电路。二极管反向恢复电流假定为05A的峰值，吸收电感器的值是40μH。能量将在10μs内转移到电容器中，所以电容值为001μF。二极管上的电压将达到32V的峰值。恢复时间为2μs的复位电感器可以小些。注意复位时间为半个周期，所以公式为，复位电感器是40μH，但是它只承受05A的峰值电流。
6复位型无损电压箝位变换器
因为该电路必须有一个变压器，所以必须特别说明。该电路是工作在箝位模式下的电压吸收网络，特别适用于推挽变换器。图6所示为正激变换器电路。
图6 正激变换器电路
图7 正激变换器
图6中的变压器绕组N1是初级电源绕组。绕组N2是复位绕组，它控制电容器上的电压并且提供正激变换器需要的磁芯复位。两个绕组匝数相等，这样限制变换器最大的占空比为50％。开关管导通时电路开始工作，电容器通过复位绕组充电到VCC。当开关管关断时，变压器漏感和励磁电感将使开关管电压超过VCC。当开关管两端电压达到二倍的VCC时，二极管D1导通，变压器漏感中的电流将被电容器和二极管箝位。复位绕组将通过二极管传导励磁电流，以致变压器磁芯复位。当开关管导通时，电容器仍然维持从漏感中获得的能量，将将向复位绕组放电，电压将再次达到VCC。为了抑制电容器与绕组之间的谐振现象，需要给变压器的复位绕组串联一个小电阻器。电容器必须足够大，以很小的电压变化吸收漏感中的能量。二极管要能够承受峰值电流，它的额定电压至少应是VCC的二倍。
7吸收二极管
在电源变压器中，一些二极管由开关管控制正向偏置，其它二极管反向偏置。正向偏置二极管常常受输出电路中储能元件的影响而自动导通，而反向偏置二极管却受储能元件影响而自动关断。给二极管添加一个吸收网络，可以确保不会给开关管增加负荷。例如，给正激变换器的输出端增加一个简单的RC吸收网络，将会在开关管导通时给开关管增加一个尖峰电流。然而为了抑制旁路二极管和变压器漏感的反向电流产生振荡，需要一个RC电路。
图7所示电路是包括两个简单RC电路的正激变换器，变压器漏感也被明确表示出来。输出端有两个必须控制的谐振因子。第一个谐振电路由变压器漏感、与输出电感器、电容器和寄生电容器并联的二极管电容器组成。D1截止时，二极管D1中的恢复电流使电路导通。当开关管导通时，这个现象发生，所以必须使C1的值最小。通常情况下寄生电感最大，输出部分的谐振频率最小。因为在这一点电压漂移最小，吸收了C1和R1之间的谐振会使损耗最小。
另一个谐振现象取决于变压器漏感和D2的寄生电容。D2的阳极会因为反向恢复电流而振荡。因为寄生电容较小，这个谐振的频率将大于其它谐振频率。这样就要求C2的值较小，使得R2消耗的功率最小。当开关管关断时，这个电路开始工作。使用与D1串联的电流吸收网络可以控制二极管的截止。
8注意事项
吸收网络（特别是箝位吸收网络）中使用的元件的特性是非常重要的。吸收网络中的电流变化率非常大，很小的寄生现象几乎可以使吸收网络完全失效。如果去掉升压变换器中的一个箝位吸收网络，而升压变换器在功率板的地层有25mm长的引线就可以产生一个足够大的寄生电感，这个电感可以产生50MHz的大幅度振荡。
对印制板布线具有良好的经验是非常重要的，而且设置地平面层是很必要的。为了抑制干扰，通过高频电流的印制线必须远离印制线密集区。
吸收网络一般不选用大功率二极管。最好选择小功率二极管，因此，只需较小的散热器。但使用的二极管除承受低的平均电流外还必须承受大的峰值电流。特别是在无损吸收网络中，二极管需要有较低的恢复电荷。
和电容器并联的电感器必须最小化。吸收网络运行正常时，电感器的频带要尽可能宽。电感器本身参与并联谐振，这个谐振是不能抑制的，必须通过改变绕组的结构来减小绕组的寄生电容。采取层绕法的寄生电容最大，而分段绕和叠绕技术可以减小绕组的寄生电容。
和电感器串联的电容器必须最小化。为了减小电路的寄生电感，电容器常常并联。大电容器的串联电感器可以和与它并联的小电容器产生谐振，谐振电路将有较高的品质因素Q。这一点也特别适用于升压变换器中的输出电容器、降压变换器中的输入电容器以及反激变换器中所有的电容器。
RC阻尼网络中使用的电阻器必须是低电感型的。无寄生电感的线绕电阻器通常有较大的自感，并将引起振荡以及高频处的过冲。可以给串联型RC网络并联在一个线绕电阻器上来抑制线绕电阻器中的自感。
9结论
一个合适的吸收网络加强了系统的可靠性，使它比没有吸收网络的系统更有效、更稳定。恰当的吸收网络可使系统在运行超时甚至超过允许温度条件下正常运行。所以掌握和使用好吸收网络是很值得的。