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认识反激中的RCD吸收电路
9 W( C+ x4 H# G5 b反激式开关电源结构简单,应用广泛,但其变压器漏感大,开关管存在电压尖峰,在大部分低功率应用场合都会采用简单易实现的RCD钳位电路来减缓电压尖峰,这里将简单介绍RCD电路的工作原理以及如何确定钳位电路中的参数。
4 J5 P( M2 y# Y; \单端反激式开关电源具有结构简单,输入输出电气隔离,输入电压范围宽,易于实现多路输出,可靠性高,成本低等优点而广泛应用于中小功率场合。但由于反激变压器漏感影响,其功率开关管在关断时将引起电压尖峰,必须用钳位电路加以抑制,因此RCD钳位电路以其简洁易实现多用于小功率场合。图 1和图 2分别为反激电路中的RCD钳位电路和电容C两端的电压波形。
3 @, j6 n% s' `% |9 Y1 L图 1反激中的 RCD钳位电路
* \: J' k: ?8 I0 Y图 2 电容两端波形
4 K, b% _& `9 N% F; ~1.漏感的抑制 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。
6 ?: k; R) C9 p. D8 N+ W8 m' B; O$ ]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。
9 |& J8 [8 p, `. E5 p4 P; u* `/ ?励磁电感LM同理想变压器并联,漏感LK同励磁电感串联,变压器中漏感能量不能传递到副边,若不采取措施,漏感将通过寄生电容释放能量,引起电压过冲和振荡,引起EMI。为抑制其影响,可在变压器初级并联RCD钳位电路。
/ y* ]! r- _/ f2 G( R2.钳位电路的工作原理 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,因此在电路设计调试过程中要选择恰当的R及C的值,以使其刚好消耗掉漏感能量。下面将分析其工作原理。 , B( ]6 m( b( }3 p8 ~( [- Z, Q8 x
当开关管Q关断时,变压器初级线圈电压反向,同时漏感LK释放能量直接对C进行充电,电容C电压迅速上升,二极管D截止后C通过R进行放电 $ I, M! z |: \3 z8 i
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;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,即钳位电阻变为负载,一直在消耗磁芯能量,此时电容两端波形如图 3 (a)所示。 5 A: Q0 U# e p
图 3 电容两端波形 3 a) |9 I$ q c/ {) l F& Y# `
若RC过小,则电容C充电较快,且C将通过电阻R很快放电,整个过程中漏感能量消耗很快,在Q开通前钳位电阻则成为变压器的负载,消耗变压器存储的能量,降低效率,电容C两端波形如图 3(b)所示。
& b; u+ R, ]/ E$ [' n8 V+ d: `$ u U: [若RC值取值比较合适,到开关管Q再次开通时,电容C上电压刚好放到接近于变压器副边反射的电压,此时钳位效果较好,电容C两端波形如图 3 (c)所示。 $ s( n) d2 I4 ~/ ?! ^1 a7 n2 c2 b
3.总结 开关管漏极上的电压由三部分组成:电源电压,反激感应电压,漏感冲击电压。 吸收电路,一定要让他只吸收漏感冲击电压,而不要对另外电压起作用,那样不仅会增大吸收电阻的负担,还会降低开关电源的效率。 6 o! v; [" Q6 @* N
首先确定吸收电路所要消耗的功率:
' U2 d( Z1 k4 w" l1 a" @4 Q+ l
$ Y0 \1 Q7 Q# h5 u+ v$ {" w9 y/ u由于吸收电容的另一端是接在正电源上的,所以它的电压只有两部分:反激感应电压,漏感冲击电压。电容C两端电压为VC,变压器漏感为LK,匝比为n,则漏感中电流的下降斜率为:
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6 l1 ]4 H/ P+ ], C0 G可以得出漏感电流的下降时间tS为: 2 g6 Z' o- v& i3 d
2 K$ i$ a7 B. t( x0 t2 z! c
其中ipk为变压器初级峰值电流。
2 r: d" p! U. h钳位电容的电压VC应在变换器输入电压最低、满载时确定,一旦确定了VC,则可计算出吸收电路消耗的功率为: ( r# Q8 }+ q2 j
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其中fS为变换器的开关频率。 " g7 B' h' c0 \0 M% R/ X
确定了吸收电路消耗的功率后,则可确定钳位电阻的大小: 1 Z) F3 D4 X2 _) c& I, E& h$ R
' i5 s7 \8 v# x9 \3 N2 o在开关管开关过程中,钳位电容C两端电压变化量为ΔVC,通常可根据VC取合适的ΔVC,由此可进一步确定钳位电容大小:
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最后,对于钳位电容两端的电压VC根据变压器反射电压nVO确定,通常取2~2.5倍即可,取值过小会引起较大损耗。RCD钳位电路的计算只是确定R与C值的数量级,其具体参数可根据实际测试波形做调整,以达到最佳效果。
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