工程師分享一種有效的反激鉗位電路設(shè)計(jì)方法

引言

單端反激式開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小功率場(chǎng)合。然而，由于漏感影響，反激變換器功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)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(jiǎn)潔且易實(shí)現(xiàn)，因而在小功率變換場(chǎng)合RCD鉗位更有實(shí)用價(jià)值。

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(jì)和繞制使之減小。設(shè)計(jì)和繞制是否合理，對(duì)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(jí)電感的2%左右。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合變壓器磁芯的選擇和初級(jí)匝數(shù)的確定，盡量使初級(jí)繞組可緊密繞滿磁芯骨架一層或多層。繞制時(shí)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(jí)和次級(jí)繞線也要盡量靠得緊密。

RCD鉗位電路參數(shù)設(shè)計(jì)

1、變壓器等效模型

圖1為實(shí)際變壓器的等效電路，勵(lì)磁電感同理想變壓器并聯(lián)，漏感同勵(lì)磁電感串聯(lián)。勵(lì)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(huì)引起EMI問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀器件，為抑制其影響，可在變壓器初級(jí)并聯(lián)無源RCD鉗位電路，其拓?fù)淙鐖D2所示。

2、鉗位電路工作原理

引入RCD鉗位電路，目的是消耗漏感能量，但不能消耗主勵(lì)磁電感能量，否則會(huì)降低電路效率。要做到這點(diǎn)必須對(duì)RC參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，下面分析其工作原理： 當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，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。

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，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(h)；3)若RC值太小，C上電壓很快會(huì)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(shí)，C上電壓放到接近副邊反射電壓，到下次導(dǎo)通時(shí)，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。可折衷處理，在第4)種方式基礎(chǔ)上增大電容，降低電壓峰值，同時(shí)調(diào)節(jié)R，，使到S1開通時(shí)，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。 3、參數(shù)設(shè)計(jì) S1關(guān)斷時(shí)，Lk釋能給C充電，R阻值較大，可近似認(rèn)為L(zhǎng)k與C發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振周期為TLC=2π、LkC，經(jīng)過1/4諧振周期，電感電流反向，D截止，這段時(shí)間很短。由于D存在反向恢復(fù)，電路還會(huì)有一個(gè)衰減振蕩過程，而且是低損的，時(shí)間極為短暫，因此叮以忽略其影響?？傊珻充電時(shí)間是很短的，相對(duì)于整個(gè)開關(guān)周期，可以不考慮。 對(duì)于理想的鉗位電路工作方式，見圖3(e)。S1關(guān)斷時(shí)，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(gè)開關(guān)周期。 RC值的確定需按最小輸入電壓，最大負(fù)載，即最大占空比條件工作選取，否則，隨著D的增大，副邊導(dǎo)通時(shí)間也會(huì)增加，鉗位電容電壓波形會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)，鉗位電路將消耗主勵(lì)磁電感能量。 對(duì)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