反激RCD設(shè)計.

1、一種有效的反激鉗位電路設(shè)計方法日期：2006-6-27 來源：電源技術(shù)應(yīng)用作者：姜德來， 張曉峰， 呂征宇字體：大 中 小E2o 引言單端反激式開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡單、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、造價低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于小功率場合。然而，由于漏感影響，反激變換器功率開關(guān)管關(guān)斷時將引起電壓尖峰，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潔且易實現(xiàn)，因而在小功率變換場合RCD 鉗位更有實用價值。1 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)計和繞制使之減小。設(shè)計和繞制是否合理，對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

2、 電感的 2%左右。設(shè)計時應(yīng)綜合變壓器磁芯的選擇和初級匝數(shù)的確定，盡量使初級繞組可緊密繞滿磁芯骨架一層或多層。繞制時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。初級和次級繞線也要盡量靠得緊密。2 RCD 鉗位電路參數(shù)設(shè)計2.1 變壓器等效模型圖 1 為實際變壓器的等效電路，勵磁電感同理想變壓器并聯(lián)，漏感同勵磁電感串聯(lián)。勵磁電感能量可通過理想變壓器耦合到副邊，而漏感因為不耦合，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，還會引起EMI 問題，嚴(yán)重時會燒毀器件，為抑制其影響，可在 變壓器初級并聯(lián)無源

3、 RCD 鉗位電路，其拓撲如圖 2 所示。圖1實際變壓器尋效模型2.2 鉗位電路工作原理弓 I 入 RCD 鉗位電路，目的是消耗漏感能量，但不能消耗主勵磁電感能量，否則會降低電路效率。要做到這點必須對RC 參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，下面分析其工作原理：當(dāng) S1 關(guān)斷時，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(/ (a)( (均是將反射電壓吸收了部分(c)R剛t*i:(xv)l.實驗表明， C 越大， 這兒就 越平滑1譽%際 T 一II就是反射電壓（b）（爼將別人實驗表明 R 或 C 值越小就會這樣，R 太小，放電就快,C 太小很快充滿，小到一定程度就會

4、這樣回到零。兒偏?。ㄍ觯?乩 均込屮圖3鉗位電容電壓波形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) ； 此句有道理，因為初級電流下降時次級電流開始上升 。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)樗镭撦d，一直在消耗磁芯能量，見圖3(b)；實驗表明 R 或 C 值越小就會這樣，但不一定會到零， R 太小，放電就快， C 太小很快充滿，小到一定程度就會這樣回到零。3) 若 RC 值太小，C 上電壓很快會降到副邊反射電壓，故在St 開通前，鉗位電阻只將成為反激變換器的死負載

5、，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， C 上電壓放到接近副邊反射電壓，到下次導(dǎo)通時， 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?？烧壑蕴幚恚诘?)種方式基礎(chǔ)上增大電容，降低電壓峰值，同時調(diào)節(jié) R,，使到 S1 開通時，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。 本人認為此分析清楚地說明 RC 放電時間常

6、數(shù)要大于開關(guān)周期，至少要大于截止時間，也就是 RC 振蕩頻率小 于開關(guān)頻率。2.3 參數(shù)設(shè)計S1 關(guān)斷時，Lk 釋能給 C 充電，R 阻值較大，可近似認為 Lk 與 C 發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振周期為 TLC=2TI、LkC，經(jīng)過 1 /4 諧振周期，電感電流反向，D 截止，這段時間很短。由于 D 存在反向恢復(fù)，電路還會有一個衰減振蕩過程，而且是低損的，時間極為短暫，因此叮以忽略其影響。 總之， C 充電時間是很短的，相對于整個開關(guān)周期，可以不考慮 。本人認為這講的極有道理，開關(guān)管截止時間里充電過后就要放電，所以在實際實驗中如果 R 太小還沒到開關(guān)管導(dǎo)通 C 的電已放完了，故出現(xiàn)了一個平臺，這時會消

7、耗反射電壓的能量，所以R的取值一定要使C的放電電壓在開關(guān)管導(dǎo)通時不小于反射電壓。在進入到導(dǎo)通時間后 C 的電壓為負值，千萬不要認為是某個電壓對 C 反向充電，本人認為是開關(guān)管導(dǎo)通后呈現(xiàn)的低電位。對于理想的鉗位電路工作方式，見圖3(e)。S1 關(guān)斷時，漏感釋能，電容快速充電(3)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)整個開關(guān)周期。RC 值的確定需按最小輸入電壓 (但有的書上說是按最大值， 實際測試表明似乎應(yīng) 是最大值)，最大負載，即最大占空比條件工作選取，否則，隨著 D 的增大，副邊 導(dǎo)通時間也會增加，鉗位電容電壓波形會出現(xiàn)平臺，鉗位電路將消耗主勵磁電

8、感能量對圖 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，Ar L/V *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(1NrVge肅 J 二于E.(2)將(1)式代入(2)式可得這個公式有誤，應(yīng)該是- 1/HR對整個周期 RC 放電過程分析，有此公式一時難以理解(1)為保證 S1 開通時,C 上電壓剛好放到V | mH 對于理想的鉗位電路工作方式，見圖3(e)。S1 關(guān)斷時，漏感釋能，電容快速充電(3)v_ fV rtiu F 用.Vi fnin(4)/*l1- - -” 人作處理 處刊聞圖4匕喚的踴定3 實驗分析根

9、據(jù)能量關(guān)系有Lk二C IKm J - I(-nLin：)(5)式中:Ipk/ Lk 釋能給 C 的電流峰值將式（1） 和式 （4） 代人式（5） ，得同理這公式有錯誤應(yīng)是除以LnDon.結(jié)合式（3），得R_?。▏\、-】兒血典Cor（ - 1働K = - -應(yīng)是電阻功率選取依據(jù)（7）（7）式中：fs 為變換器的工作頻率。輸入直流電壓.30(1 % )v，輸出 12V / IA，最大占空比 Dmax=0.45，采用 UC3 842 控制，工作于 DCM 方式，變壓器選用 CER28A 型磁芯，原邊匝數(shù)為 24 匝，副 邊取 13 匝。有關(guān)實驗波形如圖 5圖 8 所示。2 格）-一.廠* *J*17

10、ST絃一盍S 7 饋位電客電壓個 Kf：適屮圖S MOS管漏飆電壓（槪；適中）宀蛙AS?圖 7 顯示在副邊反射電壓點沒有出現(xiàn)平臺，說明結(jié)果與理論分析吻合。4 結(jié)語按照文中介紹的方法設(shè)計的鉗位電路，可以較好地吸收漏感能量，同時不消耗主 勵磁電感能量。經(jīng)折衷優(yōu)化處理，既抑制了電容電壓峰值，減輕了功率器件的開關(guān)應(yīng) 力，又保證了足夠電壓脈動量，磁芯能量可以快速、高效地傳遞，為反激變換器的設(shè) 計提供了很好的依據(jù)。網(wǎng)上相關(guān)人員討論：1關(guān)于吸收電路的問題，很有分析的必要，我也曾對此仔細分析過。我再分析 一下，你可以按照這個思路自己進行計算。開關(guān)管漏極上的電壓由三部分組成：電源電壓，反擊感應(yīng)電壓(等于輸出電壓

11、除以雜比 )，漏感沖擊電壓。吸收電路，一定要讓他只吸收漏感沖擊電壓，而不要對另外電壓起作用，那樣不 僅會增大吸收電阻的負擔(dān)，還會降低開關(guān)電源的效率。首先計算吸收電阻的功耗，如果能做到只對漏感能量吸收，那么他的功率容量應(yīng) 該是漏感功率的 1.5-2 倍。漏感的量能為 0.5*Ls*lp*lp*f , f=工作頻率，Ls=漏感，Ip 關(guān)斷時的開關(guān)管峰值電 流，這樣算出來的結(jié)果是很準(zhǔn)確的。由于吸收電容的另一端是接在正電源上的， 所以它的電壓只有兩部分： 反擊感應(yīng) 電壓(等于輸出電壓除以雜比 )，漏感沖擊電壓。電壓是一個微分波形，也就是電 容放電波形，隨著放電，電壓會越來越低，當(dāng)開關(guān)管的截止期結(jié)束時，

12、一定不要 讓電壓下降到反激感應(yīng)電壓以下，否則就會損耗 “本體”能量。再計算吸收元件的數(shù)值，電容太小時，漏感能量灌入后，電壓會突升的太高，有 可能擊穿開關(guān)管，可以根據(jù)你的開關(guān)管耐壓，和你希望的振鈴高度，確定一個峰 值電壓，比如 100 伏，截止期結(jié)束時，我們給他定一個終止電壓，比如 50 伏， 這樣，就可以計算出吸收電容的數(shù)值來： 原理是，電容電壓變化量所導(dǎo)致的能量差 = 一個周期的漏感能量 。(上面的公式5)假設(shè)反激感應(yīng)電壓為 U， 那么電容電壓的最大值就是(U+100)，最小值就是 (U+50)，電容中的能量有一個計算公式， Ec=0.5*C*U*U，所以，能量差就是：Ech-Ecl=0.5

13、*C*(U+100)*(U+100)-(U+50)*(U+50) ，U 是已 知的，能量差也是已知的，電容還算不出來嗎？最后計算吸收電阻。電容放電公式：u=Uo*exp(-t/T)T=(U+50)/(U+100)經(jīng) 本人推算應(yīng)是 t/T=(U+100)/(U+50)，或-t/T=(U+50)/(U+100)，掉了個負號 原文作者在發(fā)貼時可能筆誤，t=截止期時間(按正常工作時的截止時間計算)，可 以算出T T=RC 吸收時間常數(shù)，那么吸收電阻不也就出來嗎？ 本人認為這個講的有道理 .2.按上述理論進行計算：變壓器初級電感 L=632uH，漏感 Llou= 29uH。先算 Ip: 假定最大輸出功率

14、時是 DCM 模式 .則 Pin = 0.5*Ls*Ip*Ip*fIp = (Pin/0.5*Ls*f)(0.5) = (PO/n*0.5*Ls*f)(0.5)= (150/0.85*0.5*623*10(-6)*70*10(3)= 2.7A漏感的能量為 0.5*Ls*lp*lp*f , f=工作頻率，Ls=漏感，Ip 關(guān)斷時的開關(guān)管峰值電 流Wlou= 0.5*Ls*lp*lp*f= 0.5 * 29*10(-6) * 2.7 * 2.7 * 70*10(3) = 7.3 W由上面漏感能量數(shù)值可看出，漏感能量太大了，如果此能量全都由電阻來消 耗，按兩倍功率計算，要 15W 的電阻。這是無法辦

15、到的。這么大的功耗，從上面計算可以看出，是由于初級 lp 太大造成的。如果是幾 十 W的電源，那么功耗就可以接受了。對以上結(jié)果，請問計算有問題沒有？有什么辦法？3是的，這個功耗是太大，漏感功耗沒有別的去處，只能消耗在吸收電阻上。像這 種功率較大的開關(guān)電源，一般都是工作在連續(xù)狀態(tài)，否則，開關(guān)管的功率容量和 磁芯的功率容量都得不到充分利用，還有一個問題，就是工作在不連續(xù)或者臨界 狀態(tài)的變壓器，由于其磁通變化量太大，變壓器的發(fā)熱量也是個不容忽視的問 題。我上面沒說，你的初級電感量太小，變壓器可能工作在非連續(xù)狀態(tài)。增大電 感量，初級電流自然就降下來了。你可以這樣計算：讓磁通的變化量(p-p)/磁通平均

16、值 =0.3 左右。另外，如果電源的安全系數(shù)要求不是太高(醫(yī)療儀器要求高) ，可以適當(dāng)減小初 次級之間的絕緣厚度，以減小漏感，你的漏感量在正常的數(shù)值范圍內(nèi)，但不是特 別的小，大功率的電源，漏感就是個很麻煩的問題4.你好，非常感謝。 初級電感和漏感的數(shù)值在上面第十貼中寫出來了，我是剛測的數(shù)據(jù)。測時發(fā)現(xiàn)，初次級間不加銅皮屏蔽漏感小。這應(yīng)是正常的吧。也可能是漏感加大 的緣故，加了屏蔽后尖峰反而大了。5. 初次級間不加銅皮屏蔽漏感小，是正常的。所謂漏感是通過本線圈的磁力線 沒有完全通過另一線圈所產(chǎn)生的，增加銅皮屏蔽，相當(dāng)于線圈之間的耦合難度增 大，故漏感增大，分布電容減少。想減少尖峰，最好的辦法是減少

17、變壓器漏感，其次是在MOS 管漏極加磁珠，這樣都會減少損耗，還有就是無損吸收，最后就是用RCD 這種有損吸收的方式。6. 是的，銅箔不是磁性材料，它只對電場起作用，對磁場而言，它和絕緣材料差不多.網(wǎng)上有人這樣講：red 的 re 時間常數(shù)必須長于開關(guān)周期，也就是 re 震蕩頻率要小 于開關(guān)頻率，這樣子防止在管子未開通前放電完畢而導(dǎo)致二極管再次開通，造成 系統(tǒng)的震蕩.本人仔細分析了一下，這樣講有一定的道理，但P126 里講RC 時間常數(shù)等于第一個尖峰和第二個尖峰時間的 3 倍就夠了 ,這個我 認為有點錯,因為有人講振蕩頻率是指第一個脈沖以后的，從圖上看基本差不 多，第一個脈沖是漏感往 C 里面充

18、電的過程，然后根據(jù)回復(fù)時間 D 有一個關(guān)斷 過程，當(dāng)然認為是一個振蕩也可以，只是時間和后面的振蕩相比就太長了。所以 一般認為一兩個脈沖之后的才算振蕩（前幾個脈沖由于單向?qū)щ娨膊幌笳?波），因為后面的振蕩和 RC 基本無關(guān)了，只有第一個尖峰脈沖的能量被吸收，后 面的脈沖電壓都達不到吸收的門檻電平 所以是在自己震蕩，與 R,C 無關(guān)了 .只有 第一個尖峰脈沖的能量被吸收，后面的脈沖電壓都達不到吸收的門檻電平，所以是 在自己震蕩（本人認為是漏感和分布電容），與 R,C無關(guān)了 .如果 RC 時間常數(shù)太小了，在截止時間內(nèi) C 的電放完了，那反激電壓豈不是又要向 C充電而形成振蕩？本人認為至少要大于開關(guān)管截止時間.這是電源網(wǎng)上另一個人講的：RCD 是給變壓器漏感提供瀉放回路的。反激 變換同正激有所不同，反激變壓器可以看作是一個耦合電感，所以不像正激一樣 有磁芯復(fù)位的要求。但是，由于反激變