图12为轻载时未加RCD电压箝位电路的MOSFET电压频谱,由于移除RCD电压箝位电路后,漏电感电流在MOSFET关闭瞬间少了一条宣泄的路径,漏电感电流全部都流进MOSFET的输出电容(Coss),因而产生更高的电压突尖。比对图11和图12可以观察到RCD电压箝位电路主要作用在电压突尖的频率(5 MHz)附近,衰减了10 dB,在中低频段则无明显变化。
图12、轻载时未加RCD电压箝位电路的MOSFET波形电压之FFT频谱
2. 输出二极管之电压
通常输出二极管两端会并联一组RC缓振电路,其目的是为了吸收在MOSFET导通瞬间,因输出二极管的逆向回复电流(reverse recovery current)产生的高频电压突尖。在设计缓振电路时,需要先知道电压突尖的频率,以往是使用示波器将时域波形展开并用光标功能进行读值。本文则提供另一种方法:从波形FFT频谱找出电压突尖之频率。图13为满载时未加装RC缓振电路的输出二极管电压频谱,图中显示电压突尖的频率为21 MHz,由此可以设计对应之RC缓振电路了。
图13、满载时未加装RC缓振电路的输出二极管电压波形之FFT频谱
图14为加装RC缓振电路后的输出二极管电压频谱;比对两张FFT频谱,可以看到RC缓振电路的抑制效果。由于此时输出二极管电压波形和操作在CCM的MOSFET电压相似,从图14可以看到在中低频段时,输出二极管电压频谱一样是呈现-20 dB/dec的衰减斜率,在高频时,则是以-40 dB/dec的衰减斜率。
图14、满载时加装RC缓振电路的输出二极管电压波形之FFT频谱
3. 输入电容之电流
在实际应用上,铝质电解电容(aluminum electrolytic capacitor)经常被用于输入电容和输出电容,其寿命与环境和电气特性有密切的关系。常见的液态铝质电解电容寿命估算式为
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其中,LX为待估算之电容寿命,LO为厂商提供之保证寿命,KTemp为周温修正系数,KVoltage为电压修正系数,IC_rms为流进电容之涟波电流(RMS),IRated为额定最大容许电流(RMS)。从估算式可以观察到在预估电解电容的寿命时,需要计算涟波电流(ripple current)的方均根值。
由于电解电容的等效串联电阻(equivalent series resistor;ESR)会随着涟波电流的频率改变,不同频率下的涟波电流耐受度皆不相同,为了获得较准确的寿命估算,在计算时不会使用示波器直接量测时域波形的方均根值,而是将电流波形做FFT分析,把不同频率下的电流成份等效至120 Hz下去作计算,其等效之电容涟波电流为
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图15和图16分别为输入电容电流波形之FFT频谱与RUBYCON提供之铝质电解电容涟波电流系数修正表。
(a)
(b)
图15、满载时输入电容电流波形之FFT频谱 (a)10 Hz - 100 kHz (b)10 kHz - 30 MHz
图16、RUBYCON提供之400 V铝质电解电容涟波电流系数修正表
4. 输出电容之电流
图17为满载时输出电容电流波形之FFT频谱,其寿命估算方式与输入电容相同。比对输入和输出电容的电流的频谱,可以观察到经过一个交流转直流的转换器之后,电容电流的主要成份从低频的市电频率转变成高频的开关频率。
(a)
(b)
图17、满载时输出电容电流波形之FFT频谱 (a)10 Hz - 100 kHz (b)10 kHz - 30 MHz