正激式RC吸收电路计算

摘要：开关电源中缓冲电路性能的好坏直接影响到系统的品质。文中给出了一种结构简单、安装方便的RC缓冲电路的设计方法，该方法不仅能降低开关管的关断损耗,而且还能降低变压器的漏感和尖峰电压。0引言在带变压器的开关电源拓扑中，开关管关断时，电压和电流的重叠引起的损耗是开关电源损耗的主要部分，同时，由于电路中存在杂散电感和杂散电容，在功率开关管关断时，电路中也会出现过电压并且产生振荡。如果尖峰电压过高，就会损坏开关管。同时，振荡的存在也会使输出纹波增大。为了降低关断损耗和尖峰电压，需要在开关管两端并联缓冲电路以改善电路的性能。缓冲电路的主要作用有：一是减少导通或关断损耗；二是降低电压或电流尖峰；三是降低dV/dt或dl/dt。由于MOSFET管的电流下降速度很快，所以它的关断损耗很小。虽然MOSEE!管依然使用关断缓冲电路，但它的作用不是减少关断损耗，而是降低变压器漏感尖峰电压。本文主要针对MOSFET管的关断缓冲电路来进行讨论。1RC缓冲电路设计在设计RC缓冲电路时，必须熟悉主电路所采用的拓扑结构情况。图1所示是由RC组成的正激变换器的缓冲电路。图中，当Q关断时，集电极电压开始上升到2Vdc，而电容C限制了集电极电压的上升速度，同时减小了上升电压和下降电流的重叠，从而减低了开关管Q的损耗。而在下次开关关断之前，C必须将已经充满的电压2Vdc放完，放电路径为C、Q、Ro假设开关管没带缓冲电路，图1所示的正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同。这样，当Q关断瞬间，储存在励磁电感和漏感中的能量释放，初级绕组两端电压极性反向，正激变换器的开关管集电极电压迅速上升到2Vdco同时，励磁电流经二极管D流向复位绕组，最后减小到零，此时Q两端电压下降到Vdco图2所示是开关管集电极电流和电压波形。可见，开关管不带缓冲电路时，在Q关断时，其两端的漏感电压尖峰很大，产生的关断损耗也很大，严重时很可能会烧坏开关管，因此，必须给开关管加上缓冲电路。T⑴Vcc(Q)―0V图2无缓冲器时的集电极电流和电压波形痛感尖峰当开关管带缓冲电路时，其集电极电压和电流波形如图3所示（以正激变换器为例）。E>AC1巩Q)图3有缓冲器时的开关管集电扱电压和电流波旳皿7懦感尖峰2Vdc在图1中，当Q开始关断时，其电流开始下降，而变压器漏感会阻止这个电流的减小。一部分电流将继续通过将要关断的开关管，另一部分则经RC缓冲电路并对电容C充电，电阻R的大小与充电电流有关。Ic的一部分流进电容C，可减缓集电极电压的上升。通过选取足够大的C,可以减少集电极的上升电压与下降电流的重叠部分，从而显著降低开关管的关断损耗，同时还可以抑制集电极漏感尖峰电压。图3中的A-C阶段为开关管关断阶段，C-D为开关管导通阶段。在开关管关断前，电容C两端电压为零。在关断时刻（B时刻），C会减缓集电极电压的上升速度，但同时也被充电到2Vdc（在忽略该时刻的漏感尖峰电压的情况下）。电容C的大小不仅影响集电极电压的上升速度，而且决定了电阻R上的能量损耗。在Q关断瞬间，C上的电压为2Vdc，它储存的能量为0.5C（2Vdc）2焦耳。如果该能量全部消耗在R上，则每周期内消耗在R上的能量为：对限制集电极上升电压来说，C应该越大越好；但从系统效率出发，C越大，损耗越大，效率越低。因此，必须选择合适的C，使其既能达到一定的减缓集电极上升电压速度的作用，又不至于使系统损耗过大而使效率过低。在图3中，由于在下一个关断开始时刻（D时刻）必须保证C两端没有电压，所以，在B时刻到D时刻之间的某时间段内，C必须放电。实际上，电容C在C-D这段时间内，也可以通过电阻R经Q和R构成的放电回路进行放电。因此，在选择了一个足够大的C后，R应使C在最小导通时间tON内放电至所充电荷的5%以下，这样则有：式（1）表明R上的能量损耗是和C成正比的，因而必须选择合适的C,这样，如何选择C就成了设计RC缓冲电路的关键，下面介绍一种比较实用的选择电容C的方法。事实上，当Q开始关断时，假设最初的峰值电流Ip的一半流过C,另一半仍然流过逐渐关断的Q集电极，同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为Ip。那么，通过选择合适的电容C，以使开关管集电极电压在时间tf内上升到2Vdc（其中tf为集电极电流从初始值下降到零的时间，可以从开关管数据手册上查询），则有：Uc闽违U（丁）曲专lo~2Jr二寺争f=2y&故可得：C二牛弃=¥#（3）因此，从式⑴和式⑶便能计算出电容c的大小。在确定了c后，而最小导通时间已知，这样，通过式⑵就可以得到电阻R的大小。2带RC缓冲的正激变换器主电路设计2．1电路设计图4所示是一个带有RC缓冲电路的正激变换器主电路。该主电路参数为：Np=Nr=43匝。Ns=32匝，开关频率f=70kHz，输入电压范围为直流48〜96V，输出为直流12V和直流0.5A。开关管Q为MOSFET，型号为IRF830，其tf一般为30ns。Dl、D2、D3为快恢复二极管•其tf很小（通常tf=30ns）。本设计的输出功率P0=V0I0=6W,假设变换器的效率为80%，每一路RC缓冲电路所损耗的功率占输出功率的1%。这里取Vdc=48V。2．2实验分析下面分两种情况对该设计进行实验分析，一是初级绕组有缓冲，次级无缓冲；二是初级无缓冲，次级有缓冲。（1）初级绕组有缓冲，次级无缓冲该实验测量的是开关管Q两端的漏源电压，实验分以下两种情况：第一种情况是RS1=1.5kQ，CS1不定，输入直流电压Vdc为48V。其实验结果为：在RS1不变的情况下，CSl越大，虽然开关管Q的漏感尖峰电压无明显降低，但它的漏源电压变得平缓了，这说明在初级开关管的RC缓冲电路中，CSl应该选择比较小的值。第二种情况是CSl=33pF，RS1不定，输入直流电压Vdc为48V。其结果是：当CS1不变时，RS1越大,开关管Q的漏感尖峰电压越大（增幅比较小）。可见，RC缓冲电路中，参数R的大小对降低漏感尖峰有很大的影响。在选定一个合适的C,同时满足式(2)时，R应该选择比较小的值。(2)次级绕组有缓冲，初级无缓冲本实验以D2、D3的阴极作为公共端来测量快恢复一•极管的端压，其结果是，当R不变时,C越大，二极管两端的漏感尖峰越小。同时理论上，如果C为无穷大时，二极管两端的电压中就没有漏感尖峰。而在实际中，只需让二极管两端电压的漏感尖峰电压在其端压峰值的30％以内就可以满足要求了，这样同时成本也不会太高。2．3设计参数的确定通过实验分析可见，在次级快恢复二极管的RC缓冲电路中，当选择了适当大小的电容C时，在满足式(2)的情况下，电阻R应该选择得越小越好。最终经过实际调试，本设计选择的RC缓冲电路参数为：初级：RSl=200，CSl=100pF次级：RS2=RS3=5l，CS2=CS3=1000pF本设计的初级开关管的RC缓冲电路中的C值虽然选得稍微比计算值大一些，但损耗也不是很大，因此还是可以接受的。相对初级而言，次级快恢复二极管的RC缓冲电路中的C值就选得比计算值大得多，系统的损耗必然增大。但是，并联在快恢复二极管两端的RC缓冲电路主要是为了改善系统输出性能，因此选择比较大的C值虽然会使系统的整体效率降低，但二极管两端的漏感尖峰就减小了很多，而且输出电压的纹波也可以达到指定要求。3结束语根据以上给出的公式，可以很好而且很方便地选择出合适的RC缓冲电路。但是在工程应用中，应该根据系统设计的性能指标，通过实际调试才能得到真正合适的参数。有时候，为了达到系统的性能指标，牺牲一定的效率也是必要的。总之，在设计RC缓冲电路参数时，必须综合考虑系统性能和效率，最终选择合适的RC参数。