一種有效的反激鉗位電路設(shè)計方法

1、一種有效的反激鉗位電路設(shè)計方法EHo引言單端反激式開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡單、輸入輸出電氣隔離、電壓升/降范圍寬、易于多路輸出、可靠性高、造價低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小功率場合。然而，由于漏感影響，反激變換器功率開關(guān)管關(guān)斷時將引起電壓尖峰，必須用鉗位電路加以抑制。由于RCD鉗位電路比有源鉗位電路更簡潔且易實(shí)現(xiàn)，因而在小功率變換場合RCD甘位更有實(shí)用價值。1漏感抑制變壓器的漏感是不可消除的，但可以通過合理的電路設(shè)計和繞制使之減小。設(shè)計和繞制是否合理，對漏感的影響是很明顯的。采用合理的方法，可將漏感控制在初級電感的2%左右。設(shè)計時應(yīng)綜合變壓器磁芯的選擇和初級匝數(shù)的確定，盡量使初級繞組可緊密繞滿磁芯骨架一層或

2、多層。繞制時繞線要盡量分布得緊湊、均勻，這樣線圈和磁路空間上更接近垂直關(guān)系，耦合效果更好。初級和次級繞線也要盡量靠得緊密。2 RCD鉗位電路參數(shù)設(shè)計2.1變壓器等效模型圖1為實(shí)際變壓器的等效電路，勵磁電感同理想變壓器并聯(lián)，漏感同勵磁電感串聯(lián)。勵磁電感能量可通過理想變壓器耦合到副邊，而漏感因?yàn)椴获詈?，能量不能傳遞到副邊，如果不采取措施，漏感將通過寄生電容釋放能量，引起電路電壓過沖和振蕩，影響電路工作性能，還會引起EMI問題，嚴(yán)重時會燒毀器件，為抑制其影響, 可在變壓器初級并聯(lián)無源 RCD甘位電路，其拓?fù)淙鐖D 2所示。圖1 實(shí)際變壓器尋效模型2.2鉗位電路工作原理弓I入RCD甘位電路，目的是消耗漏

3、感能量，但不能消耗主勵磁電感能量，否則會降低電路效率。要做到這點(diǎn)必須對 RC參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，下面分析其工作原理：當(dāng)S1關(guān)斷時，漏感Lk釋能，D導(dǎo)通，C上電壓瞬間充上去，然后D截止，C通過R放電。山r/,LII J4 Jfc就是反射電壓實(shí)驗(yàn)表明，C越大，這兒就 / 越平滑均是將反射電壓吸收了部分1111 1>i41-*1(b)值特別人實(shí)驗(yàn)表明R或C值越小就會這樣，R太小，放電就快,C太小很快充滿，小到一定程度就會這樣回到零。1圖3 鉗位電容電壓波形1) 若C值較大，C上電壓緩慢上升，副邊反激過沖小，變壓器能量不能迅速傳遞到副邊，見圖3(a)；2) 若C值特別大，電壓峰值小于副邊反射電壓，

4、則鉗位電容上電壓將一直保持在副邊反 射電壓附近，即鉗位電阻變?yōu)樗镭?fù)載，一直在消耗磁芯能量，見圖3(b)；3) 若RC值太小，C上電壓很快會降到副邊反射電壓，故在St開通前，鉗位電阻只將成為反激變換器的死負(fù)載，消耗變壓器的能量，降低效率，見圖3(c):4) 如果RC值取得比較合適，使到 S1開通時，C上電壓放到接近副邊反射電 壓，到下次導(dǎo)通時，C上能量恰好可以釋放完，見圖 3(d)，這種情況鉗位效果較好， 但電容峰值電壓大，器件應(yīng)力高。第2)和第3)種方式是不允許的，而第 1)種方式電壓變化緩慢，能量不能被迅速傳遞，第4)種方式電壓峰值大，器件應(yīng)力大?？烧壑蕴幚?，在第4)種方式基礎(chǔ)上增大電容，降

5、低電壓峰值，同時調(diào)節(jié)R，使到S1開通時，C上電壓放到接近副邊反射電壓，之后 RC繼續(xù)放電至S1下次開通，如圖3(e)所示。本人認(rèn)為此分析清楚 地說明RC放電時間常數(shù)要大于開關(guān)周期，至少要大于截止時間，也就是RC振蕩頻率小于開關(guān)頻率。2.3參數(shù)設(shè)計S1關(guān)斷時，Lk釋能給C充電，R阻值較大，可近似認(rèn)為 Lk與C發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振周期為TLC=2冗.LkC，經(jīng)過1/4諧振周期，電感電流反向，D截止，這段時間很短。由于 D存在反向恢復(fù)，電路還會有一個衰減振蕩過程，而且是低損的，時 間極為短暫，因此叮以忽略其影響?？傊?，C充電時間是很短的，相對于整個開關(guān)周期，可以不考慮。本人認(rèn)為這講的極有道理，開關(guān)管截

6、止時間里充電過后就要放電，所以在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中如果 R太小還沒到開關(guān)管導(dǎo)通 C的電已放完了，故出現(xiàn)了一個平臺，這時會消耗反射電壓的能量，所以R的取值一定要使C的放電電壓在開關(guān)管導(dǎo)通時不小于反射電壓。在進(jìn)入到導(dǎo)通時間后c的電壓為負(fù)值，千萬不要認(rèn)為是某個電壓對 C反向充電，本人認(rèn)為是開關(guān)管導(dǎo)通后呈現(xiàn)的低電位。對于理想的鉗位電路工作方式，見圖3(e)。S1關(guān)斷時，漏感釋能，電容快速充電至峰值 Vcmax之后RC放電。由于充電過程非常短，可假設(shè)RC放電過程持續(xù)整個開關(guān)周期。RC值的確定需按最小輸入電壓 (但有的書上說是按最大值 ，實(shí)際測試表明似 乎應(yīng)是最大值)，最大負(fù)載，即最大占空比條件工作選取，否則，隨

7、著D的增大，副邊導(dǎo)通時間也會增加，鉗位電容電壓波形會出現(xiàn)平臺，鉗位電路將消耗主勵磁電感能 量。對圖3(c)工作方式，峰值電壓太大，現(xiàn)考慮降低Vcmax。Vcmax只有最小值限制，必須大于副邊反射電壓可做線性化處理來設(shè)定 Vcmax如圖4所示，由幾何關(guān)系得(1)為保證S1開通時，C上電壓剛好放到需滿足將(1)式代入(2)式可得RC 7 ( /兒亠 1) h】對整個周期RC放電過程分析，有(5)式中:Ipk / Lk釋能給C的電流峰值將式和式代人式，得同理這公式有錯誤應(yīng)是除以LnDon.結(jié)合式（3），得r _ZZ訃一】）山?！罢眩?）R 二孑應(yīng)是（必- 1）1譏站（7）電阻功率選取依據(jù)（8）Ph

8、= + Ak式中：fs為變換器的工作頻率。人作處FF處理階圖4 叭昨的確定輸入直流電壓UC3842控制，工作于匝。有關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖5圖 8 所示。3 實(shí)驗(yàn)分析30(1 ± 2% )v，輸出12V/IA，最大占空比 Dmax=0.45,采用DCM方式，變壓器選用 CER28A型磁芯，原邊匝數(shù)為 24匝，副邊取 13"2 格）-一.廠*J*17ST<L.a 5鉗位電客電壓Me較?。┩?SLL-TRrr匸、T、陽6 鉗位電客電壓較丸）一連>絃一盍S 7 饋位電客電壓個Kf：適屮圖S MOS管漏飆電壓（槪；適中）宀蛙AS?圖7顯示在副邊反射電壓點(diǎn)沒有出現(xiàn)平臺，說明結(jié)果與

9、理論分析吻合。4 結(jié)語按照文中介紹的方法設(shè)計的鉗位電路，可以較好地吸收漏感能量，同時不消耗主勵磁電感能量。經(jīng)折衷優(yōu)化處理，既抑制了電容電壓峰值，減輕了功率器件的開 關(guān)應(yīng)力，又保證了足夠電壓脈動量，磁芯能量可以快速、高效地傳遞，為反激變換器 的設(shè)計提供了很好的依據(jù)。網(wǎng)上相關(guān)人員討論： 1關(guān)于吸收電路的問題，很有分析的必要，我也曾對此仔細(xì)分析過。我再分析 一下，你可以按照這個思路自己進(jìn)行計算。 開關(guān)管漏極上的電壓由三部分組成：電源電壓，反擊感應(yīng)電壓（ 等于輸出電壓除以雜比 ） ，漏感沖擊電壓。吸收電路，一定要讓他只吸收漏感沖擊電壓，而不要對另外電壓起作用，那樣不 僅會增大吸收電阻的負(fù)擔(dān)，還會降低開

10、關(guān)電源的效率。首先計算吸收電阻的功耗，如果能做到只對漏感能量吸收，那么他的功率容量應(yīng) 該是漏感功率的 1.5-2 倍。漏感的量能為0.5*Ls*lp*lp*f , f=工作頻率，Ls=漏感，Ip關(guān)斷時的開關(guān)管峰值 電流，這樣算出來的結(jié)果是很準(zhǔn)確的。由于吸收電容的另一端是接在正電源上的，所以它的電壓只有兩部分：反擊感應(yīng) 電壓 （ 等于輸出電壓除以雜比 ），漏感沖擊電壓。電壓是一個微分波形，也就是電 容放電波形，隨著放電，電壓會越來越低，當(dāng)開關(guān)管的截止期結(jié)束時，一定不要 讓電壓下降到反激感應(yīng)電壓以下，否則就會損耗“本體”能量。再計算吸收元件的數(shù)值，電容太小時，漏感能量灌入后，電壓會突升的太高，有

11、可能擊穿開關(guān)管，可以根據(jù)你的開關(guān)管耐壓，和你希望的振鈴高度，確定一個峰 值電壓，比如 100 伏，截止期結(jié)束時，我們給他定一個終止電壓，比如 50 伏， 這樣，就可以計算出吸收電容的數(shù)值來： 原理是，電容電壓變化量所導(dǎo)致的能量差 = 一個周期的漏感能量 。（上面的公式 5） 假設(shè)反激感應(yīng)電壓為U,那么電容電壓的最大值就是(U+100)，最小值就是(U+50) ，電容中的能量有一個計算公式， Ec=0.5*C*U*U，所以，能量差就是：Ech-Ecl=0.5*C*(U+100)*(U+100)-(U+50)*(U+50), U是已知的，能量差也是已知的，電容還算不出來嗎？最后計算吸收電阻。電容放

12、電公式：u=Uo*exp(-t/ t ), t/ t =-ln(U+50)/(U+100) 經(jīng)本人推算應(yīng)是 t/ t =-ln(U+100)/(U+50)，或-t/ t =-ln(U+50)/(U+100), 掉了個負(fù)號原文作者在發(fā)貼時可能筆誤 ， t= 截止期時間 ( 按正常工作時的截止時 間計算)，可以算出t , t =RC吸收時間常數(shù)，那么吸收電阻不也就出來嗎？本人認(rèn)為這個講的有道理 .2. 按上述理論進(jìn)行計算：變壓器初級電感L=632uH漏感Llou= 29uH。先算Ip:假定最大輸出功率時是DCM模式.則 Pin = 0.5*Ls*Ip*Ip*fIp = (Pin/0.5*Ls*f)

13、(0.5) =(P0/ n *0.5*Ls*f)(0.5)= 2.7A漏感的能量為0.5*Ls*lp*lp*f , f=工作頻率，Ls=漏感，Ip關(guān)斷時的開關(guān)管峰值電流Wlou= 0.5*Ls*lp*lp*f= 0.5 * 29*10(-6) * 2.7 * 2.7 * 70*10(3)= 7.3 W由上面漏感能量數(shù)值可看出，漏感能量太大了，如果此能量全都由電阻 來消耗，按兩倍功率計算，要15W的電阻。這是無法辦到的。這么大的功耗，從上面計算可以看出，是由于初級 lp 太大造成 的。如果是幾十 W的電源，那么功耗就可以接受了。對以上結(jié)果，請問計算有問題沒有？有什么辦法？3是的，這個功耗是太大，

14、漏感功耗沒有別的去處，只能消耗在吸收電阻上。像這 種功率較大的開關(guān)電源，一般都是工作在連續(xù)狀態(tài)，否則，開關(guān)管的功率容量和 磁芯的功率容量都得不到充分利用，還有一個問題，就是工作在不連續(xù)或者臨界 狀態(tài)的變壓器，由于其磁通變化量太大，變壓器的發(fā)熱量也是個不容忽視的問 題。我上面沒說，你的初級電感量太小，變壓器可能工作在非連續(xù)狀態(tài)。增大電 感量，初級電流自然就降下來了。你可以這樣計算：讓磁通的變化量（p-p ）/磁通平均值 =0.3 左右。另外，如果電源的安全系數(shù)要求不是太高（醫(yī)療儀器要求高） ，可以適當(dāng)減小初 次級之間的絕緣厚度，以減小漏感，你的漏感量在正常的數(shù)值范圍內(nèi)，但不是特 別的小，大功率的

15、電源，漏感就是個很麻煩的問題4. 你好，非常感謝。 初級電感和漏感的數(shù)值在上面第十貼中寫出來了，我是剛測的數(shù)據(jù)。測時發(fā)現(xiàn)，初次級間不加銅皮屏蔽漏感小。這應(yīng)是正常的吧。也可能是漏感加大 的緣故，加了屏蔽后尖峰反而大了。5. 初次級間不加銅皮屏蔽漏感小，是正常的。所謂漏感是通過本線圈的磁力線 沒有完全通過另一線圈所產(chǎn)生的，增加銅皮屏蔽，相當(dāng)于線圈之間的耦合難度增 大，故漏感增大，分布電容減少。想減少尖峰，最好的辦法是減少變壓器漏感，其次是在 MOS管漏極加磁珠，這樣 都會減少損耗，還有就是無損吸收，最后就是用 RCD這種有損吸收的方式。6. 是的 , 銅箔不是磁性材料 , 它只對電場起作用 , 對

16、磁場而言 , 它和絕緣材料差不 多.網(wǎng)上有人這樣講 : rcd 的 rc 時間常數(shù)必須長于開關(guān)周期，也就是 rc 震蕩頻率要 小于開關(guān)頻率，這樣子防止在管子未開通前放電完畢而導(dǎo)致二極管再次開通，造成系統(tǒng)的震蕩本人仔細(xì)分析了一下，這樣講有一定的道理，但開關(guān)電源設(shè)計指 南P126里講RC時間常數(shù)等于第一個尖峰和第二個尖峰時間的 3倍就夠了 ,這個 我認(rèn)為有點(diǎn)錯,因?yàn)橛腥酥v振蕩頻率是指第一個脈沖以后的 ，從圖上看基本差不 多，第一個脈沖是漏感往C里面充電的過程，然后根據(jù)回復(fù)時間 D有一個關(guān)斷過程，當(dāng)然認(rèn)為是一個振蕩也可以，只是時間和后面的振蕩相比就太長了。所以一般認(rèn)為一兩個脈沖之后的才算振蕩（前幾個

17、脈沖由于單向?qū)щ娨膊幌笳ǎ?，因?yàn)楹竺娴恼袷幒蚏C基本無關(guān)了，只有第一個尖峰脈沖的能量被吸收,后面的脈沖電壓都達(dá)不到吸收的門檻電平,所以是在自己震蕩,與R,C無關(guān)了.只有第一個尖峰脈沖的能量被吸收，后面的脈沖電壓都達(dá)不到吸收的門檻電平,所以是在自己震蕩（本人認(rèn)為是漏感和分布電容），與R,C無關(guān)了.如果RC時間常數(shù)太小了，在截止時間內(nèi)C的電放完了，那反激電壓豈不是又要向 C充電而形成振蕩？本人認(rèn)為至少要大于開關(guān)管截止時間.這是電源網(wǎng)上另一個人講的：RCD是給變壓器漏感提供瀉放回路的。反激變 換同正激有所不同，反激變壓器可以看作是一個耦合電感，所以不像正激一樣有 磁芯復(fù)位的要求。但是，由于反激變壓器大都開