Почему форма сигнала Vds в обратноходовом источнике питания колеблется на последнем участке в режиме DCM?

Введение для новичков Базовые Вопросы и Ответы
, , ,
1

Почему форма сигнала Vds в обратноходовом источнике питания в режиме DCM на последнем участке колеблется? Как показано на рисунке ниже

IMG_20251104_222543
IMG_20251104_2225431316×987 326 KB

2

Суть заключается в “исчезновении вторичного ограничения напряжения + первичном LC-резонансе”, логика здесь очень ясна:

В режиме DCM, когда ток на вторичной стороне спадает до нуля, выпрямительный диод автоматически закрывается — в этот момент вторичная обмотка уже не может отражать выходное напряжение на первичную сторону через коэффициент трансформации, то есть “ограничивающее действие вторичной обмотки по напряжению на первичную сторону исчезает”.

На первичной стороне же остаётся индуктивность рассеяния (не связанная со вторичной обмоткой), которая вместе с паразитной ёмкостью MOSFET (Coss) образует LC-резонансный контур. Энергия, оставшаяся в индуктивности рассеяния, начинает колебаться между индуктивностью и паразитной ёмкостью, вызывая колебания формы сигнала Vds; при этом резистор в цепи поглощения RCD, сопротивление проводимости MOSFET и другие “демпфирующие элементы” постепенно рассеивают энергию, поэтому амплитуда колебаний затухает, пока энергия полностью не исчерпается.

Проще говоря: когда вторичная сторона больше не может “контролировать” напряжение на первичной стороне, индуктивность рассеяния и паразитная ёмкость на первичной стороне начинают “свободно колебаться”.

3 лайка
3

В режиме DCM вторичный ток падает до нуля, когда ток индуктивности вторичной обмотки достигает нуля. Это означает, что энергия в магнитопроводе полностью высвобождена. Поскольку ток диода становится равным нулю, диод автоматически запирается, вторичная цепь оказывается в состоянии холостого хода, и выходное напряжение больше не отражается на первичную сторону. В этот момент напряжение сток-исток (Vds) MOSFET превышает входное напряжение, поэтому под действием разности напряжений происходит резонанс между ёмкостью перехода MOSFET и индуктивностью первичной обмотки. Резонансный ток разряжает ёмкость перехода MOSFET. Напряжение Vds начинает снижаться, а спустя четверть периода резонанса снова начинает возрастать. Из-за наличия цепи ограничения RCD и других паразитных сопротивлений этот колебательный процесс является затухающим, и амплитуда колебаний постепенно уменьшается.

1 лайк
4

Эти колебания являются классической характеристикой режима DCM. Они вызваны резонансом между индуктивностью намагничивания первичной обмотки трансформатора и общей паразитной ёмкостью в стоке MOSFET-транзистора.

Эта «последняя часть» формы сигнала — это «прерывистый» или мёртвый интервал — время после того, как диод вторичной обмотки завершил передачу всей накопленной энергии на выход, и до момента, когда первичный MOSFET снова включается.

Ниже приведён пошаговый разбор происходящего:

1. Ключевые компоненты

Кольцевые колебания вызваны классической резонансной LC-цепью (или «танком»), образованной двумя основными элементами:

  • Индуктивность (L): Индуктивность намагничивания первичной обмотки (Lm) обратноходового трансформатора.
  • Ёмкость (C): Общая паразитная ёмкость в узле переключения (C_node). Эта ёмкость представляет собой сумму нескольких паразитных ёмкостей:
    • Выходная ёмкость MOSFET (Coss): Ёмкость между стоком и истоком (в данный момент выключенного) MOSFET. Обычно является основным вкладчиком.
    • Межвитковая ёмкость обмотки трансформатора (Cw): Ёмкость между витками первичной обмотки.
    • Паразитная ёмкость печатной платы: Статическая ёмкость от проводников на плате.

2. Цикл переключения в режиме DCM

Чтобы понять, почему это происходит, рассмотрим три отдельные фазы цикла переключения в режиме DCM:

  1. MOSFET ВКЛЮЧЁН: Ключ замкнут. Ток в индуктивности намагничивания первичной обмотки (Lm) нарастает, накапливая энергию. Напряжение Vds (сток-исток) близко к 0 В.
  2. MOSFET ВЫКЛЮЧЕН (передача энергии): Ключ разомкнут. Энергия, накопленная в Lm, передаётся на вторичную сторону, и выходной диод включается. Напряжение Vds скачком возрастает до входного напряжения (Vin) плюс отражённое выходное напряжение (V_reflected).
  3. MOSFET ВЫКЛЮЧЕН (мёртвое время): Это ключевая часть. В режиме DCM передача энергии завершается до начала следующего цикла.
    • Ток вторичной обмотки падает до нуля.
    • Выходной диод выключается.
    • В этот самый момент вторичная сторона трансформатора «отключается» от цепи. Первичная сторона также отключена (поскольку MOSFET выключен).
    • Индуктивность намагничивания первичной обмотки (Lm) оказывается фактически подключённой параллельно общей ёмкости узла (C_node).
    • Быстрое изменение напряжения при выключении диода «возбуждает» эту LC-цепь, и она начинает колебаться (звенеть) на своей собственной резонансной частоте: f_r = 1 / (2\\pi \\sqrt{Lm \\cdot C_{node}})
    • Эти (обычно затухающие) колебания продолжаются до тех пор, пока MOSFET снова не включится для следующего цикла.

3. Являются ли эти колебания проблемой?

Иногда да, но иногда и преимуществом:

  • Плохо (ЭМИ): Эти колебания — высокочастотные, и могут быть значительным источником электромагнитных помех (EMI), из-за чего источник питания может не пройти регуляторные испытания.
  • Хорошо (переключение в минимуме): Умные контроллеры источников питания, известные как квазирезонансные (QR) или контроллеры с переключением в минимуме напряжения, предназначены для обнаружения этих колебаний. Они специально включают MOSFET в момент, когда напряжение Vds снижается до минимального значения («долина»). Этот метод, называемый переключением при нулевом напряжении (ZVS) или «мягким переключением», значительно снижает потери при переключении и повышает общую эффективность преобразователя.
3 лайка