一种有效的反激钳位电路设计方法
姜德来 张肖峰 吕征宇 0 引言 单端反激式开关电源具有结构简单,输入输出电气隔离,电压升/降范围 宽,易于多路输出,可靠性高,造价低等优点,广泛应用于小功率场合.然而, 由于漏感影响,反激变换器功率开关管关断时将引起电压尖峰,必须用钳位电路 加以抑制.由于 RCD 钳位电路比有源钳位电路更简洁且易实现,因而在小功率 变换场合 RCD 钳位更有实用价值. 1 漏感抑制 变压器的漏感是不可消除的,但可以通过合理的电路设计和绕制使之减小. 设计和绕制是否合理,对漏感的影响是很明显的.采用合理的方法,可将漏感控 制在初级电感的 2%左右. 设计时应综合变压器磁芯的选择和初级匝数的确定, 尽量使初级绕组可紧密 绕满磁芯骨架一层或多层.绕制时绕线要尽量分布得紧凑,均匀,这样线圈和磁 路空间上更接近垂直关系,耦合效果更好.初级和次级绕线也要尽量靠得紧密. 2 RCD 钳位电路参数设计 2.1 变压器等效模型 图 1 为实际变压器的等效电路,励磁电感同理想变压器并联,漏感同励磁 电感串联.励磁电感能量可通过理想变压器耦合到副边,而漏感因为不耦合,能 量不能传递到副边,如果不采取措施,漏感将通过寄生电容释放能量,引起电路 电压过冲和振荡,影响电路工作性能,还会引起 EMI 问题,严重时会烧毁器件, 为抑制其影响,可在变压器初级并联无源 RCD 钳位电路,其拓扑如图 2 所示.
Vcc C R
LK Vo Lm GND' D D S1 G S
LK 理想变压器 初 级 Lm 次 级
图1
实际变压器等效模型
GND
图2
RCD 钳位电路
2.2 钳位电路工作原理 引入 RCD 钳位电路,目的是消耗漏感能量,但不能消耗主励磁电感能量, 否则会降低电路效率.要做到这点必须对 RC 参数进行优化设计,下面分析其工 作原理: 当 S1 关断时,漏感 Lk 释能,D 导通,C 上电压瞬间充上去,然后 D 截止, C 通过 R 放电. 1)若 C 值较大,C 上电压缓慢上升,副边反激过冲小,变压器能量不能迅速 传递到副边,见图 3(a);
2)若 C 值特别大,电压峰值小于副边反射电压,则钳位电容上电压将一直保 持在副边反射电压附近,即钳位电阻变为死负载,一直在消耗磁芯能量,见图 3(h); 3)若 RC 值太小,C 上电压很快会降到副边反射电压,故在 St 开通前,钳位 电阻只将成为反激变换器的死负载,消耗变压器的能量,降低效率,见图 3(c): 4)如果 RC 值取得比较合适,使到 S1 开通时,C 上电压放到接近副边反射 电压,到下次导通时,C 上能量恰好可以释放完,见图 3(d),这种情况钳位效果 较好,但电容峰值电压大,器件应力高. 第 2)和第 3)种方式是不允许的,而第 1)种方式电压变化缓慢,能量不能被
迅速传递,第 4)种方式电压峰值大,器件应力大.可折衷处理,在第 4)种方式 基础上增大电容,降低电压峰值,同时调节 R,使到 S1 开通时,C 上电压放到 接近副边反射电压,之后 RC 继续放电至 S1 下次开通,如图 3(e)所示. 2.3 参数设计 S1 关断时, Lk 释能给 C 充电,R 阻值较大,可近似认为 Lk 与 C 发生串联谐 振,谐振周期为 TLC = 2π Lk C ,经过 1/4 谐振周期,电感电流反向,D 截止, 这段时间很短.由于 D 存在反向恢复,电路还会有一个衰减振荡过程,而且是 低损的,时间极为短暂,因此可以忽略其影响.总之,C 充电时间是很短的,相 对于整个开关周期,可以不考虑. 对于理想的钳位电路工作方式,见图 3(e).S1 关断时,漏感释能,电容快速 充电至峰值 Vc max ,之后 RC 放电.由于充电过程非常短,可假设 RC 放电过程持 续整个开关周期. RC 值的确定需按最小输入电压,最大负载,即最大占空比条件工作选取, 否则,随着 D 的增大,副边导通时间也会增加,钳位电容电压波形会出现平台, 钳位电路将消耗主励磁电感能量. 对图 3(c)工作方式,峰值电压太大,现考虑降低 Vc max . Vc max 只有最小值限 制,必须大于副边反射电压
NP VO . NS
NP VO NS t 可做线性化处理来设定 Vc max , 如图 4 所示, 由几何关系得 = on = Dmax Vc max T
则
Vc max =
N PVO N S Dmax
(1)
为保证 S1 开通时,C 上电压刚好放到
(1 Dmax )T RC

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