5.2 吸收电路的类型

有关吸收电路的文献繁多，所开发的吸收电路种类也很多。它的分类如下：

①关断、开通吸收电路，组合（关断和开通）吸收电路；

②线性/非线性吸收电路；

③有源、无源吸收电路；

④有损（耗）、无损（或低损）吸收电路；

⑤有极性/无极性吸收电路。

关于①的说明如下：由于在关断时，主要问题是开关器件承受过高的电压尖峰，而开通时可能电流峰值太大，因此，为了避免关断和开通过程中的器件损坏问题，针对关断和开通两种情况，采用不同的吸收电路方案，分别称为关断吸收电路和开通吸收电路。也可以将二者组合起来，既解决关断时的器件过电压问题，也可避免开通时器件di/dt过高产生的不良后果。②～⑤容易理解，不再赘述。

下面以Buck变换器为例，重点讨论最基本、最简单的关断、开通两类无源吸收电路的基本工作原理，进一步介绍有极性组合吸收电路和LC无损吸收电路工作原理。

5.2.1 关断吸收电路（turn-off snubber）

1.并联电容

最简单的关断吸收电路是在开关器件两端并联一电容Cs，见图5.6（a），以限制开关器件关断过程中的电压上升速度dvV/dt=Idc/Cs，开关器件关断前的电流为Idc。Cs越大，器件电压vV（t）上升速度越慢，开关功耗也越小。图5.6（b）、（c）分别给出了关断过程的vV（t）、iV（t）及p（t）。

2.有极性关断吸收电路——RCD网络

图5.6（a）所示的关断吸收电路，在功率晶体管上并联电容，当晶体管导通时，Cs对开关器件放电，有可能损坏该器件。为避免这种情况，实用的关断吸收电路是RCD网络。由于其中包含二极管，故称为“有极性”的吸收电路（polarized snubber）。图5.7所示为有极性关断吸收电路——RCD网络在Buck变换器中的应用，它与开关器件并联。

RCD网络的组成是将电阻Rs和二极管VDs并联后，再与电容Cs串联。Rs的作用是在开关器件开通时，限制Cs放电电流，并将能最转移。VDs的作用是在开关器件关断时，使Cs可以经过VDs充电，而Rs则被VDs短路。

5.2.2 开通吸收电路（turn-on snubber）

1.开通和关断吸收电路的对偶关系

由电路的对偶原理，很容易得到开通吸收电路和关断吸收电路间的对偶关系，见表5.1。

表5.1 吸收电路的对偶关系

2.串联电感

最简单的开通吸收电路为电感Ls与开关器件串联，如图5.8（a）所示。图5.8（b）、（c）分别给出了开通过程的vV（t）、iV（t）及p（t）。与图5.4（c）、（d）比较可见，加串联电感后，限制了开关器件电流上升速度diV/dt=Vdc/Ls，同时也可减小开关功耗，见图5.8（b）。

3.有极性开通吸收电路——RLD网络

由表5.1可见，和并联RCD网络相对偶的是串联RLD网络，这一网络就是有极性开通吸收电路。RLD网络的组成是电感Ls并联一个Rs-VDs串联支路，如图5.9所示。

Rs-VDs串联支路的作用是，当开关器件关断时，电感Ls储存的能量通过Rs-VDs串联支路释放，而不致使开关器件因电压过高而损坏。

5.2.3 组合吸收电路

为了既能解决关断时的器件过电压问题，又能避免开通时di/dt过高产生的不良后果，要用开通、关断两个吸收电路。可以将这两种吸收电路组合起来，称为组合吸收电路，有两个不同的组合方案，即并联RCD、串联Ls及串联RLD、并联Cs。

1.组合方案一（并联RCD、串联Ls）

图5.10（a）给出了组合方案一应用于Buck变换器的等效电路图，其中的并联RCD网络属于关断吸收电路，串联电感Ls属于开通吸收电路。当开通时，电路的工作类似于图5.8所示的仅串联电感Ls的开通吸收电路。不同的是，开关管电流还包括Cs的放电电流。但在开关管关断时，电路的工作原理完全不同于图5.7所示的并联RCD关断吸收电路。图5.10（b）给出了并联RCD网络、串联Ls后，开关器件关断过程的电压、电流波形图。

图5.l0（a）所示电路中，开关器件的关断过程可分为四个阶段，图5.10（c）给出了这四个阶段的等效电路。分析如下：

t=0，vC（0）=0，iV（0）=Idc，vV（0）=0；

t=tf，iV（tf）=0；

t=t1，vV（t1）=Vdc，iL（t1）=Idc；

t=t2，iL（t2）=0。

（1）0＜t＜tf，电流iQ下降阶段

vC（0）=0，iV下降，vV上升，iL=Idc，VD关断，Ls和输出滤波电感Lf等效为恒流源；VDs导通，Cs和V直接并联，V等效为电流源iV（注意：iV在减少）。

（2）tf＜t＜t1，电容Cs恒流充电阶段

vC（tf）＜Vdc，iV=0，电路等效为Cs和电流源Idc串联，电流源Idc对Cs恒流充电，vC=vV。

（3）t1＜t＜t2，LC串联谐振阶段

vC（t1）=Vdc，vV＞Vdc，VD导通，iL下降，Ls-Cs谐振，vV振荡上升。

（4）t＞t2，衰减振荡阶段

iL（t2）=0，过零后继续谐振下降，Cs对Rs放电，VDs截止，

Rs-Ls-Cs串联谐振，vV（t）=vC+vR。vV由Vdc+ΔvV谐振下降到Vdc，iL从负值谐振到零。

由上式可见，吸收电路参数Cs、Ls的选择对关断电压的尖峰大小有较大影响。

组合吸收电路每开通和关断一次，其储能元件Ls和Cs中的能量将释放在电阻Rs上消耗掉功耗的计算公式为ps=（CsV2dc+LsI2dc）/（fs/2）。

例如，开关变换器开关频率fs=20kHz，输入电压Vdc=400V，输出电流Idc=50A，Ls=1.2μH，Cs=0.066μF，代入上式计算可得ps=130W。

2.组合方案二（串联RLD、并联Cs）

图5.11（a）给出了组合方案二应串联RLD、并联Cs，RLD网络（和开关器件串联）属于开通吸收电路，并联电容Cs属于关断吸收电路。图5.11（b）给出了开关器件开通时的电压、电流波形图。

串联RLD网络、并联Cs和并联RCD网络、串联Ls是相互对偶的。根据对偶原理，人们从并联RCD网络、串联Ls的工作原理不难理解串联RLD网络、并联Cs的基本原理。所不同的是：对于串联RLD网络、并联Cs，在分析vC（t）时，要考虑Ls在Rs上的能耗。

5.2.4 LC吸收电路

前面提到的组合吸收电路中有电阻，能量消耗较大，这一附加的能耗对开关变换器的效率、散热都是很不利的。如能将这部分能量反馈回电源或送入负载，进行有效利用，将提高开关变换器的整体效率。为此，人们研究出图5.12（a）所示的LCD无损吸收电路。

LCD吸收电路又称能量回馈（energy recov-ery）电路，仅由L、C、D组成，以便电路中的能量或回馈到电源或送入负载，改善了开关变换器散热条件，并提高了效率。

LCD吸收电路的工作原理可分析如下（假设C1=C2）：

图5.12（b）、（c）给出了开关过程中的电压、电流波形图。开关器件导通时，电源Vdc供给负载电流和电容C1、C2的充电电流；开关器件关断时，负载电流经过二极管VD1、VD2，使C1、C2放电，电容储能送到负载。

设t＜0，V处于导通状态，并且C1、C2已充电到Vdc。

开关器件关断时，iV下降，vV上升，直到t=tf时，iV（tf）=0，vV（tf）＜Vdc。C1-VD1、C2-VD2支路（经过电源Vdc）并联于V，这时相当于“并联电容C的关断吸收电路”（C=C1+C2）。VD3反偏，iL=0，C1、C2放电，vC1、vC2逐渐降到零。

当V再次开通时，iV上升，vV保持为Vdc，iV达到Idc时，开关二极管VD反偏，vV在很短时间内快速降到零。近似可看作有一个阶跃电压Vdc加到C2-VD3-L-C1串联支路上，VD3导通，电路谐振，iV及iL按二阶振荡（ringing）变化，谐振半周期后iV稳定在Idc，vC1=vC2=Vdc，当iL过零变负时，VD3又反偏。

由于上述吸收电路没有功耗，故称为无源无损（passiveloss-less）吸收电路。又由于电路中有二极管VD1、VD2、VD3等非线性元件，所以它属于非线性吸收电路。

5.2.5 吸收电路和开关过程的“软化”

由图5.5可见，无源无损或有源无损（active loss-less）吸收电路的作用使开关轨迹iV-vV向坐标轴靠近，从而大大减少了开关损耗。可以说，吸收电路“软化”了开关轨迹或“软化”了开关过程。如果能设计出一种吸收电路，使图5.5所示的开关轨迹iV-vV沿坐标轴变化（或逼近坐标轴），则开关损耗接近于零或很小，有如零开关（ZVS/ZCS）变换器。如果使变换器实现零开关，是一种传统意义的软开关技术，则用吸收电路使开关过程软化的技术可称为广义（generalized）软开关技术。图5.13给出了硬开关、零开关、广义软开关三种开关过程，显示出开关器件电压vdc和电流idc波形在不同开关过程中的交叠（over-lap）情况。

（1）PWM硬开关过程

由图5.13（a）可见，电压v和电流i在开关过程中的交叠部分最多，这也是硬开关过程中开关损耗最大的原因。

（2）零开关过程（zero voltage/current switching）

电压v和电流i没有交叠，开关损耗为零。电压下降到零后开通，电流才上升（即零电压开通ZVS），或电流下降到零后关断，电压才上升（即零电流关断ZCS），称为ZVS/ZCS软开关。

（3）广义软开关（generalized soft switching）过程

无源/有源“无损”吸收网络，具有“软化”开关过程、降低dv/dt，di/dt、降低电流/电压变化斜率的功能，使电压v和电流i在开关过程中的交叠部分较小，大幅度降低了开关损耗，吸收网络本身的损耗非常小，可称为“低损软开关”。

有源/无损吸收电路中，除包含L、C、VD元件外，还包含有源器件——辅助开关管。这种情况下，有源无损吸收电路与ZVS/ZCS软开关电路就不易严格区分。实际上，某些ZVS/ZCS软开关技术，就是一种典型的有源无损吸收技术。

图5.14所示为DC-DC双管正激变换器应用有源无损吸收电路实现软开关的例子。吸收电路的组成为：辅助MOS功率管S3，吸收电感L，吸收电容C1、C2，以及二极管VD1、VD2。其原理可简述如下：设主开关管S1、S2（IGBT）以及辅助管S3同时开通。回路中的L限制了S1、S2开通电流的上升斜率，使开通损耗减小。令S1先关断，变压器电流使C2充电，已知电容电压不能跃变，因而S1电压上升斜率受到限制，使其关断损耗减小。令S3先于S2关断，当S2关断时，变压器电流使C1充电，和S1关断情况相同，关断损耗减小了。

变压器磁场能量和L储能反馈回电网，S3可实现ZV开通和关断，S1、S2不是ZV开通的，也非ZC关断。但所用的有源无损吸收电路确实有效地“软化”了开关过程。

图5.15为图5.14所示电路的仿真结果，给出主开关管的关断电压上升斜率与吸收电容值的关系，虚线表示关断损耗。可见“软化”后，吸收电容改变了关断电压上升斜率和关断损耗。吸收电容值越大，则关断电压上升斜率越小，关断损耗也越小。IGBT关断时，关断电流有明显的拖尾现象，不采取软化措施，关断损耗将更大。

值得一提的是，吸收电路可以抑制电力电子系统中开关器件的浪涌电压或电流，使电路中储能被利用或反馈到电网，从而将器件电压钳定于某一范围内。根据这一钳位作用原理，20世纪80年代初，有人提出有源钳位变换器。有的文献就从钳位功能角度来分析软开关技术的发展。这些问题已超越了吸收电路的基本原理，将在以后进一步阐述。