反激開關(guān)電源：RCD吸收電路

第第頁反激開關(guān)電源：RCD吸收電路

反激（開關(guān)電源）在MOS管關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)繞組漏感存儲(chǔ)的能量無法向次級(jí)繞組傳遞，初級(jí)繞組的漏感和MOS管的寄生（電容）產(chǎn)生了諧振電壓波形。這個(gè)諧振電壓尖峰與次級(jí)繞組反射電壓、（電源）輸入電壓疊加在一起，加載到MOS管的DS兩端。如加載電壓超過MOS管的耐壓，則MOS管損壞。如加載在MOS管耐壓之下，但靠近MOS管耐壓，則影響MOS管使用壽命。RCD吸收電路的作用就是抑制諧振電壓尖峰，為MOS管耐壓留出至少20%的電壓余量，避免MOS管損壞或影響MOS管使用壽命。另外，RCD吸收電路抑制了諧振電壓振蕩，對(duì)EMI有利。

諧振波形形成原因

對(duì)疊加電壓波形展開分析，根據(jù)RLC串聯(lián)（電路原理），諧振電壓波形的周期為2π×（Llk×Coss）^0.5，諧振頻率是周期的倒數(shù)，其中Llk是初級(jí)繞組的漏感，Coss是MOS管的寄生電容。

在電路中，電感和電容串聯(lián)諧振模型如下。在諧振頻率下，電感和電容的阻抗相互抵消，整個(gè)回路中只有線路寄生（電阻），電感向電容充電，之后電容向電感充電，能量在二者之間往復(fù)循環(huán)，能量難以消耗，就形成了諧振電壓波形。

反激開關(guān)電源的關(guān)鍵元件寄生參數(shù)模型如下，在這里只關(guān)注初級(jí)繞組漏感Llk1、MOS輸出電容Coss。

RCD吸收電路工作原理

用于吸收MOS管電壓尖峰的電路還有（其他電路）形式，但在開關(guān)電源中RCD吸收電路是最常用的。RCD吸收電路由（二極管）D，電阻R，電容C組成，其電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。

結(jié)合原理圖，忽略二極管D的正向?qū)▔航?。?dāng)MOS關(guān)斷時(shí)，諧振電壓波形在B點(diǎn)產(chǎn)生電壓尖峰，此時(shí)UB高于UA（初始時(shí)刻電容C兩端無電壓差），則UB通過二極管D向電容C充電。Uds電壓升高的本質(zhì)是初級(jí)繞組漏感瞬變（電流）感應(yīng)產(chǎn)生的電壓（初級(jí)繞組漏感存儲(chǔ)的磁能）向MOS管的寄生電容Coss進(jìn)行充電，寄生電容Coss兩端電荷積累，電壓差增大。當(dāng)二極管D導(dǎo)通，由于電容C比MOS管的寄生電容大得多，所以電容C會(huì)分掉大部分電流（這部分電流本來是向寄生電容Coss充電的），使得寄生電容Coss充電過程變得緩慢，所以說電容C會(huì)抑制Uds電壓尖峰。同時(shí)電阻R消耗初級(jí)繞組漏感存儲(chǔ)的能量，使得諧振波形盡快趨于平穩(wěn)。

在MOS管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，鉗位電容很快充電達(dá)到設(shè)定的鉗位電壓，諧振電壓尖峰低于鉗位電壓（當(dāng)諧振電壓UB波形開始下降到低于UA時(shí)，并一直保持UB低于UA，UB逐漸回落至Uin+Ur），之后鉗位二極管截止，鉗位電容C通過鉗位電阻R以熱能的形式釋放能量。需要注意的是，需要限制電阻R放電的速度（意味著電阻阻值不能選得太?。?，保證鉗位電壓不會(huì)低于反射電壓，否則UB小于UA（此時(shí)UB=Uin+Ur，UA=Uin+Uclamp，Uclamp受電阻放電影響是逐漸減小的），則鉗位二極管導(dǎo)通，鉗位電阻開始消耗原本要向次級(jí)繞組傳遞的能量，這樣會(huì)降低電源效率。通過這種方式，在MOS管關(guān)斷時(shí)，RCD吸收電路吸收初級(jí)繞組漏感在MOS管開通時(shí)刻存儲(chǔ)的能量，限制Uds不得超過UA。

為了避免上一周期鉗位電容C存儲(chǔ)的能量影響下一個(gè)周期鉗位動(dòng)作，要求在下一次MOS導(dǎo)通之前，電阻R將鉗位電容C上的能量釋放全部釋放掉。如果沒有電阻R，則在每個(gè)周期漏感都將對(duì)電容C進(jìn)行充電，使得電容C兩端電壓不斷升高，直至MOS管或電容承受不住高電壓而損壞。一般地，要求MOS管開關(guān)周期T=（2~4）×RC。

下圖為開關(guān)電源增加RCD電路前后MOS管Uds測(cè)試波形對(duì)比，左圖為加RCD之前電路的測(cè)試結(jié)果，右圖為為加RCD之后電路的測(cè)試結(jié)果：

紅：MOS管Uds電壓，藍(lán)：MOS管耐壓Udsmax

（元器件）選型計(jì)算

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常設(shè)置鉗位電壓最大值是反射電壓的22.5倍，也即是Uclamp=(22.5)×Ur。

在MOS管關(guān)斷時(shí)刻，初級(jí)繞組的漏感能量都由鉗位電容吸收，如果鉗位電容容量太小，則起不到吸收全部能量的作用，Uds繼續(xù)上升，起不到保護(hù)作用。所以選用的鉗位電容一般容值較大，假設(shè)在鉗位電容充電時(shí)，Uclamp電壓不變（電壓變化很小）。為方便計(jì)算，在鉗位電容充電時(shí)間內(nèi)，假設(shè)漏感的電流都流入了鉗位電容，忽略流向電阻和MOS管輸出電容的電流，也忽略了鉗位二極管的正向?qū)▔航怠?/p>

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，對(duì)于鉗位電容Csn來說，電容吸收的功率為=單位時(shí)間內(nèi)的電容儲(chǔ)能=鉗位電壓×電容平均電流×鉗位時(shí)間/開關(guān)周期=Uclamp×0.5×Ip×ts×fs，其中Ip是漏感峰值電流，ts是鉗位時(shí)間，fs是MOS管開關(guān)頻率。

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，對(duì)于漏感Llk來說，ts=漏感×漏感電流變化量/漏感電壓=Llk×Ip/(Uclamp-nUo)，其中nUo是次級(jí)繞組反射電壓，代替了圖中的nVo。其中Usn是電容鉗位電壓，代替了圖中的Vsn。其中Uclamp-nUo表示加載在漏感兩端的電壓。其中Ip是漏感中的峰值電流，也是在ts時(shí)間內(nèi)，漏感電流的變化量。其中Llk表示漏感的電感值。

漏感釋放的功率=0.5×Llk×Ip2×ts×fs。

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，對(duì)于鉗位電阻（Rs）n來說，漏感所有的功率由電阻Rsn進(jìn)行耗散，電阻耗散功率=Uclamp2/Rsn。

聯(lián)立以上三個(gè)關(guān)系式，可以得鉗位電阻Rsn：

我們需將鉗位電壓的紋波電壓設(shè)置在合理范圍內(nèi)，一般認(rèn)為紋波電壓占鉗位電壓的5%~10%是合適的。

紋波電壓=Uclamp/(Rsn×Csn×fs)，可求出鉗位電容Csn：

鉗位二極管選用（超快恢復(fù)）二極管，二極管的反向耐壓根據(jù)計(jì)算出的MOS管實(shí)際承受耐壓的1.2倍以上來選取。

總的來說，要求RC吸收電路在MOS管關(guān)斷期間儲(chǔ)能抑制Uds上升，在此之后要求鉗位電壓不能因電阻放電低于反射電壓，在MOS管開通之前要求將鉗位電容內(nèi)的能量釋放完。在MOS管關(guān)斷期間Uds先振蕩上升，又振蕩下降，鉗位電容先充電，后放電，整個(gè)過程還是比較復(fù)雜的。因