释疑:反激电源MOS管两次振铃现象

本周在技术交流群中有群友抛出这么一个问题:反激电源MOS D-S之间电压波形产生的原因?

这是一个典型的问题,本质原因就是功率级寄生电容、电感引起的谐振,然而几天后我发现,当时我并没有充分理解问题,这位朋友所要了解的问题其实应细化为:为什么会有两次谐振,谐振产生的模型是怎样的?

如下为反激式电源实现方案,该方案采用初级侧稳压(PSR)技术,

Q1导通时,变压器初级电感存储能量,输出续流二极管Dfly反向偏置,Cout输出能量给负载;

Q1关断时,变压器初级线圈释放能量,输出续流二极管正向偏置,向输出端提供电能;

开关电源产生振铃的主要原因在于非理想器件存在功率级寄生电容、电感。所谓谐振,即:在MOS管开通、关断切换的过程中,寄生电感将能量传递给寄生电容进行充电,充电结束后寄生电容又释放电能给寄生电感储能,如此循环往复。

群友发出的图片中,有2次谐振,

第一次谐振

该谐振产生的时间点在MOS管关断的瞬间,等效谐振电路如下:

Loop:初次级间的漏电感、初级励磁电感、功率MOSFET封装电感之和

Coss:MOS管寄生电容、线路寄生电容

第二次谐振

这是开关电源DCM模式特有的一个振铃现象,

此处你必须要了解开关电源电感如下两种模式:

CCM:连续导通模式,次级端反射电流在MOS通断,变压器线圈换相期间不会到达0;

DCM:断续导通模式,次级端反射电流在MOS通断,变压器线圈换相期间到达0。

在DCM模式下,当MOS管关断,且在次级反射电流消耗为0之前,次级线圈输出相位的电压高于实际输出电压;当反射电流消耗为0,即次级线圈电流消耗为0时,实际输出电压由输出电容提供,此时次级输出相位的电压等于0,在次级输出相位电压由高于输出电压到等于0的变化过程中,会出现电压的衰减振荡,而该衰减振荡会耦合到初级线圈并加载在MOS与线圈连接的开关节点处。

由于该谐振给MOS管的寄生电容充电,若MOS在此时导通,则可能碰到寄生电容电位被充到较高的时刻,此时寄生电容所充电的能量若被直接导到GND会造成MOS管的导通损耗,针对该问题,诞生出了准谐振技术,即:DCM模式下,初级侧MOS在开关节点谐振电压摆幅的谷底附近导通

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### 反激电源MOS管出现两次振铃现象的原因 在反激电源的工作过程中,当功率级中的寄生电容和电感相互作用时会引发谐振效应。具体来说,在开关周期的不同阶段,这些元件之间的能量交换可以导致多次振铃现象的发生[^1]。 第一次振铃通常发生在初级侧的MOSFET关闭瞬间,此时变压器初级绕组上的电压迅速上升,并与MOSFET漏源极间的寄生电容以及变压器自身的分布参数共同构成一个LC振荡回路,从而产生了第一个频率较高的振铃波形;而第二次振铃则可能是在次级二极管导通结束之后发生,这时由于磁芯储能释放完毕,使得副边反射到原边的电压再次引起类似的振荡过程[^2]。 ### 解决方案 针对上述提到的现象,可以通过以下几种方式来减轻或消除这种不利影响: - **增加缓冲网络**:可以在MOSFET两端并联RC吸收电路或者RCD钳位电路,这样能够有效地消耗掉部分多余的能量,减少振幅大小。 ```c // 示例代码展示如何定义简单的RC吸收器组件值计算函数 double calculate_RC_values(double L, double C){ // 计算合适的R和C以匹配特定L下的最佳阻尼效果 ... } ``` - **优化PCB布局**:合理规划印制板上各元器件的位置关系,尽可能缩短高频信号路径长度,降低走线间耦合带来的额外干扰因素。 - **选用低Q值的磁性材料**:对于变压器而言,适当调整其铁氧体材质特性有助于改善整体系统的动态响应性能,进而缓解由之造成的二次振铃问题。
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