正激式RC吸收电路计算

1、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。文中给岀了一种结构简单、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 局部，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岀纹波增大。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

2、峰；三是降低dN/dt或dl / dt。由于MOSET管的电流下降速度很快，所以它的关断损耗很小。虽然MOSFE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MOSFE管的关断缓冲电路来进行讨论。1 RC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、RoVd

3、cRC正激变换器的缓冲器铝构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 Vdc。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。漏感尖峰2VdcVcctQ)图2 无缓冲器时的集电极电流和电压波形当开关管带缓冲电路时，其集电极电

4、压和电流波形如图3所示以正激变换器为例漏感尖峰2Vdc-Vdo VCCfQ)uvg)图3 有缓冲器时的开关管集电极电压和电流波形在图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。一局部电流将 继续通过将要关断的开关管，另一局部那么经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的一局部流进电容 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局部，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。

5、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. 5C2Vdc2焦耳。如果该能量全部消耗在R上，那么每周期内消耗在 R上的能量为：c (2VOC)2T对限制集电极上升电压来说， c应该越大越好；但从系统效率岀发，c越大，损耗越大，效率越低。因此，必须选择适宜的 C,使其既能到达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。C在C-D这段时间内，也可以通过电阻R经Q和R构成的C后，R

6、应使C在最小导通时间tON内放电至所充电荷(g (nin|) (2y(ic)/RC5治(2KJ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 放电回路进行放电。因此，在选择了一个足够大的 的5 %以下，这样那么有：=ln (5%) RC3RCC的方法。式(1)说明R上的能量损耗是和 C成正比的，因而必须选择适宜的 C，这样，如何选择C就成了设计RC 缓冲电路的关键，下面介绍一种比拟实用的选择电容Ip的一半流过C,另一半仍然流过逐渐关断的Q集电那么，通过选择适宜的电容C,以使开关管集电极电事实上，当Q开始

7、关断时，假设最初的峰值电流极，同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为Ip。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)，那么有：c / w dT=T L 叙丁故可埶2匚因此，从式(1)和式(3)便能计算出电容C的大小。在确定了 C后，而最小导通时间，这样，通过 式(2)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=70 kHz，输入电压范围为直流 4896 V，输出为直流12 V和直流0 .5 A

8、。NpD3AIaiVdc图4 带RC缓冲电路的正激变换器主电路开关管Q为MOSFET型号为IRF830,其tf 一般为30 ns。DI、D2、D3为快恢复二极管，其tf很小通常tf=30 ns。本设计的输出功率 P0=V0I0=6 W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=48 V。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. 5 k Q，CS1不定，输入直

9、流电压 Vdc为48 V。其实验结果为：在 RS1不变的情况下，CSI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，CSI应该选择比拟小的值。第二种情况是CSI=33 pF，RS1不定，输入直流电压 Vdc为48 V。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拟小。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。在选定一个适宜的C,同时满足式时，R应该选择比拟小的值。(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 恢复二极管的端压，其结果是，当 R不变时，C

10、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咼。2. 3设计参数确实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，中选择了适当大小的电容 C时，在满足式 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：RS1=200, CSI=100 pF次级：RS2=RS3=5I, CS2=CS3=000 pF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岀性能，因此选择比拟大的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，而且输岀电