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知識(shí)總結(jié)-反激式變換器中RCD箝位電路的設(shè)計(jì)

2009-07-16 00:00 來源:電源網(wǎng) 編輯:電源網(wǎng)子樂

在反激式變換器中,箝位電路采用RCD 形式具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉等優(yōu)點(diǎn),本文詳細(xì)論述了該種電路的設(shè)計(jì)方法。

Abstract: The application of RCD circuit in converter can realize low cost and low parts cout .How to design that circuit is introduced.

Keyword: RCD clamp, Flyback converter

一、 引言

反激式變換器具有低成本,體積小,易于實(shí)現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于中小功率(≤100w)的電源中。

但是,由于變壓器漏感的存在及其它分布參數(shù)的影響,反激式變換器在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電壓,這個(gè)尖峰電壓嚴(yán)重危脅著開關(guān)管的正常工作,必須采取措施對其進(jìn)行抑制,目前,有很多種方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的,其中的RCD箝位法以其結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉的特點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用,但是,由于RCD箝位電路的箝位電壓會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化,如果參數(shù)設(shè)計(jì)不合理,該電路或者會(huì)降低系統(tǒng)的效率,或者會(huì)達(dá)不到箝位要求而使開關(guān)管損壞,本文介紹了反激式變換器中的RCD箝位電路的基本原理,給出了一套較為實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。

二、 反激式變換器中RCD箝位電路的工作原理


圖為RCD 箝位電路在反激式變換器中的應(yīng)用。

圖中:Vclamp:箝位電容兩端間的電壓

Vin:輸入電壓

VD:開關(guān)管漏極電壓

Lp:初級繞組的電感量

Llk:初級繞組的漏感量

該圖中RCD箝位電路的工作原理是:當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),能量存儲(chǔ)在Lp和Llk中,當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí),Lp中的能量將轉(zhuǎn)移到副邊輸出,但漏感Llk中的能量將不會(huì)傳遞到副邊。如果沒有RCD箝位電路,Llk 中的能量將會(huì)在開關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到開關(guān)管的漏源極間電容和電路中的其它雜散電容中,此時(shí)開關(guān)管的漏極將會(huì)承受較高的開關(guān)應(yīng)力。若加上RCD 箝位電路,Llk中的大部分能量將在開關(guān)管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到箝位電路的箝位電容上,然后這部分能量被箝位電阻Rc消耗。這樣就大大咸少了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。

三、 RCD 箝位電路的設(shè)計(jì)

在RCD 箝位電路中電阻 Rc和電容Cc的取值都比較大,因此,箝位電容Cc上的電壓在每個(gè)開關(guān)周期不會(huì)有較大的變化,這樣,我們可以用一個(gè)恒定值 Vclamp來表示箝位電容兩端的電源。在此基礎(chǔ)上我們可以按以下幾個(gè)步驟來設(shè)計(jì)RCD箝位電路。


 

步驟一:確定箝位電壓Vclamp


圖2表示的是采用RCD 箝位的反激變換器的開關(guān)管的漏極電壓。

圖中:VOR:次級到初級的折射電壓

Vclamp:箝位電容Cc兩端的箝位電壓

VBR(DSS):開關(guān)管的漏源極擊穿電壓

VINMAX:最大輸入直流電壓

由圖可見,箝位電壓Vclamp與開關(guān)管的VBR(DSS)及輸入最高電壓有關(guān),如果考慮0.9的降額使用系數(shù),可用下式來確定Vclamp的大小 。

 

步驟二:確定初級繞組的漏感量Llk

初級繞組的漏感量可以通過測試來獲得,常用方法是,短路各個(gè)次級繞組測試此時(shí)的初級繞組的感量,這個(gè)值就是初級繞組的漏感量。需要注意的是,測試頻率應(yīng)采用變換器的工作頻率。

當(dāng)然,批量生產(chǎn)時(shí)不可能采取逐個(gè)測試的方法,這時(shí),可確定一個(gè)百分比來估計(jì)整個(gè)批次的漏感值,這個(gè)百分比通常是在1%--5%。

步驟三:確定箝位電阻Rc

前文提到,箝位電容Cc兩端的電壓可用恒定值Vclamp表示,因此箝位電阻消耗的功率為: 
 

式中:PR-clamp:箝位電阻消耗的功率


 

另一方面從能量守恒原則考慮,存在以下關(guān)系:

 

 


 
式中:WR-clamp:箝位電阻消耗的能量

Wl:初級繞組漏感中存儲(chǔ)的能量

VOR:次級到初級的折射電壓。

Vclamp:箝位電壓

將能量轉(zhuǎn)換為平均功率則(3)式可變?yōu)椋?
 

 

式中:fs:變換器的工作頻率  

Llk:初級繞組的漏感量

Ids-peak:開關(guān)管的最大峰值電流(即低壓滿載時(shí)的峰值電流)

這樣由(2)、(4)式就可得到箝位電阻的計(jì)算公式:

 

步驟四:確定箝位電容Cc

箝位電容Cc的值應(yīng)取得足夠大以保證其在吸收漏感能量時(shí)自身的脈動(dòng)電壓足夠小,通常取這個(gè)脈動(dòng)電壓為箝位電壓的5%--10%,這樣,我們就可通過下式來確定Cc的最小值。
 

 

式中:Cc:箝位電容

Vclamp:箝位電壓

△Vclamp:箝位電容上的脈動(dòng)電壓

Rc:箝位電阻

fs:變換器的工作頻率  

步驟五:實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

上述計(jì)算結(jié)果,應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中得以驗(yàn)證,此時(shí)應(yīng)該觀察各種輸入電壓及負(fù)載情況下的箝位電壓波形,同時(shí)還要考慮元器件的選型是否合理,比如,箝位電阻的功率選擇應(yīng)考慮1/3降額使用,箝位電容應(yīng)選擇具有低的串聯(lián)等效電阻和低的等效電感的電容,箝位二極管應(yīng)選擇反向擊穿電壓高于開關(guān)管的漏源擊穿電壓且反向恢復(fù)時(shí)間盡可能短的超快恢復(fù)二極管。另外,上述計(jì)算過程并沒有考慮寄生參數(shù)的影響 ,所以我們應(yīng)以計(jì)算值為基礎(chǔ),根據(jù)實(shí)驗(yàn)的情況適當(dāng)調(diào)整,很快就可得到滿意的值。

四、 總結(jié)

RCD箝位電路廣泛應(yīng)用于中小功率的反激式變換器中,只有合理的選擇R、C的參數(shù),才能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的電源。

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