- RC緩沖電路設(shè)計(jì)
- 帶RC緩沖的正激變換器主電路設(shè)計(jì)
- 電容C限制了集電極電壓的上升速度
- 電容C的大小不僅影響集電極電壓的上升速度，而且決定了電阻R上的能量損耗
在帶變壓器的開關(guān)電源拓?fù)渲?，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電壓和電流的重疊引起的損耗是開關(guān)電源損耗的主要部分，同時(shí)，由于電路中存在雜散電感和雜散電容，在功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電路中也會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓并且產(chǎn)生振蕩。如果尖峰電壓過(guò)高，就會(huì)損壞開關(guān)管。同時(shí)，振蕩的存在也會(huì)使輸出紋波增大。為了降低關(guān)斷損耗和尖峰電壓，需要在開關(guān)管兩端并聯(lián)緩沖電路以改善電路的性能。
緩沖電路的主要作用有：一是減少導(dǎo)通或關(guān)斷損耗；二是降低電壓或電流尖峰；三是降低dV／dt或dI／dt。由于MOSFET管的電流下降速度很快，所以它的關(guān)斷損耗很小。雖然MOSFET管依然使用關(guān)斷緩沖電路，但它的作用不是減少關(guān)斷損耗，而是降低變壓器漏感尖峰電壓。本文主要針對(duì)MOSFET管的關(guān)斷緩沖電路來(lái)進(jìn)行討論。
1RC緩沖電路設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)RC緩沖電路時(shí)，必須熟悉主電路所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況。圖l所示是由RC組成的正激變換器的緩沖電路。圖中，當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，集電極電壓開始上升到2Vdc，而電容C限制了集電極電壓的上升速度，同時(shí)減小了上升電壓和下降電流的重疊，從而減低了開關(guān)管Q的損耗。而在下次開關(guān)關(guān)斷之前，C必須將已經(jīng)充滿的電壓2Vdc放完，放電路徑為C、Q、R。
假設(shè)開關(guān)管沒帶緩沖電路，圖1所示的正激變換器的復(fù)位繞組和初級(jí)繞組匝數(shù)相同。這樣，當(dāng)Q關(guān)斷瞬間，儲(chǔ)存在勵(lì)磁電感和漏感中的能量釋放，初級(jí)繞組兩端電壓極性反向，正激變換器的開關(guān)管集電極電壓迅速上升到2Vdc。同時(shí)，勵(lì)磁電流經(jīng)二極管D流向復(fù)位繞組，最后減小到零，此時(shí)Q兩端電壓下降到Vdc。圖2所示是開關(guān)管集電極電流和電壓波形?？梢?，開關(guān)管不帶緩沖電路時(shí)，在Q關(guān)斷時(shí)，其兩端的漏感電壓尖峰很大，產(chǎn)生的關(guān)斷損耗也很大，嚴(yán)重時(shí)很可能會(huì)燒壞開關(guān)管，因此，必須給開關(guān)管加上緩沖電路。
當(dāng)開關(guān)管帶緩沖電路時(shí)，其集電極電壓和電流波形如圖3所示(以正激變換器為例)。
[page]在圖1中，當(dāng)Q開始關(guān)斷時(shí)，其電流開始下降，而變壓器漏感會(huì)阻止這個(gè)電流的減小。一部分電流將繼續(xù)通過(guò)將要關(guān)斷的開關(guān)管，另一部分則經(jīng)RC緩沖電路并對(duì)電容C充電，電阻R的大小與充電電流有關(guān)。
Ic的一部分流進(jìn)電容C，可減緩集電極電壓的上升。通過(guò)選取足夠大的C，可以減少集電極的上升電壓與下降電流的重疊部分，從而顯著降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗，同時(shí)還可以抑制集電極漏感尖峰電壓。
圖3中的A-C階段為開關(guān)管關(guān)斷階段，C-D為開關(guān)管導(dǎo)通階段。在開關(guān)管關(guān)斷前，電容C兩端電壓為零。在關(guān)斷時(shí)刻(B時(shí)刻)，C會(huì)減緩集電極電壓的上升速度，但同時(shí)也被充電到2Vdc(在忽略該時(shí)刻的漏感尖峰電壓的情況下)。
電容C的大小不僅影響集電極電壓的上升速度，而且決定了電阻R上的能量損耗。在Q關(guān)斷瞬間，C上的電壓為2Vdc，它儲(chǔ)存的能量為0．5C(2Vdc)2焦耳。如果該能量全部消耗在R上，則每周期內(nèi)消耗在R上的能量為：
對(duì)限制集電極上升電壓來(lái)說(shuō)，C應(yīng)該越大越好；但從系統(tǒng)效率出發(fā)，C越大，損耗越大，效率越低。因此，必須選擇合適的C，使其既能達(dá)到一定的減緩集電極上升電壓速度的作用，又不至于使系統(tǒng)損耗過(guò)大而使效率過(guò)低。
在圖3中，由于在下一個(gè)關(guān)斷開始時(shí)刻(D時(shí)刻)必須保證C兩端沒有電壓，所以，在B時(shí)刻到D時(shí)刻之間的某時(shí)間段內(nèi)，C必須放電。實(shí)際上，電容C在C-D這段時(shí)間內(nèi)，也可以通過(guò)電阻R經(jīng)Q和R構(gòu)成的放電回路進(jìn)行放電。因此，在選擇了一個(gè)足夠大的C后，R應(yīng)使C在最小導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)放電至所充電荷的5％以下，這樣則有：
式(1)表明R上的能量損耗是和C成正比的，因而必須選擇合適的C，這樣，如何選擇C就成了設(shè)計(jì)RC緩沖電路的關(guān)鍵，下面介紹一種比較實(shí)用的選擇電容C的方法。
事實(shí)上，當(dāng)Q開始關(guān)斷時(shí)，假設(shè)最初的峰值電流Ip的一半流過(guò)C，另一半仍然流過(guò)逐漸關(guān)斷的Q集電極，同時(shí)假設(shè)變壓器中的漏感保持總電流仍然為Ip。那么，通過(guò)選擇合適的電容C，以使開關(guān)管集電極電壓在時(shí)間tf內(nèi)上升到2Vdc(其中tf為集電極電流從初始值下降到零的時(shí)間，可以從開關(guān)管數(shù)據(jù)手冊(cè)上查詢)，則有：
因此，從式(1)和式(3)便能計(jì)算出電容C的大小。在確定了C后，而最小導(dǎo)通時(shí)間已知，這樣，通過(guò)式(2)就可以得到電阻R的大小。
2帶RC緩沖的正激變換器主電路設(shè)計(jì)
2．1電路設(shè)計(jì)
圖4所示是一個(gè)帶有RC緩沖電路的正激變換器主電路。該主電路參數(shù)為：Np=Nr=43匝。Ns=32匝，開關(guān)頻率f=70kHz，輸入電壓范圍為直流48～96V，輸出為直流12V和直流0．5A。
[page]開關(guān)管Q為MOSFET，型號(hào)為IRF830，其tf一般為30ns。
Dl、D2、D3為快恢復(fù)二極管，其tf很小(通常tf=30ns)。
本設(shè)計(jì)的輸出功率P0=V0I0=6W，假設(shè)變換器的效率為80％，每一路RC緩沖電路所損耗的功率占輸出功率的1％。這里取Vdc=48V。
2．2實(shí)驗(yàn)分析
下面分兩種情況對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，一是初級(jí)繞組有緩沖，次級(jí)無(wú)緩沖；二是初級(jí)無(wú)緩沖，次級(jí)有緩沖。
(1)初級(jí)繞組有緩沖，次級(jí)無(wú)緩沖
該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是開關(guān)管Q兩端的漏源電壓，實(shí)驗(yàn)分以下兩種情況：
第一種情況是RS1=1．5kΩ，CS1不定，輸入直流電壓Vdc為48V。
其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：在RS1不變的情況下，CSl越大，雖然開關(guān)管Q的漏感尖峰電壓無(wú)明顯降低，但它的漏源電壓變得平緩了，這說(shuō)明在初級(jí)開關(guān)管的RC緩沖電路中，CSl應(yīng)該選擇比較小的值。
第二種情況是CSl=33pF，RS1不定，輸入直流電壓Vdc為48V。其結(jié)果是：當(dāng)CS1不變時(shí)，RS1越大，開關(guān)管Q的漏感尖峰電壓越大(增幅比較小)。
可見，RC緩沖電路中，參數(shù)R的大小對(duì)降低漏感尖峰有很大的影響。在選定一個(gè)合適的C，同時(shí)滿足式(2)時(shí)，R應(yīng)該選擇比較小的值。
(2)次級(jí)繞組有緩沖，初級(jí)無(wú)緩沖
本實(shí)驗(yàn)以D2、D3的陰極作為公共端來(lái)測(cè)量快恢復(fù)二極管的端壓，其結(jié)果是，當(dāng)R不變時(shí)，C越大，二極管兩端的漏感尖峰越小。同時(shí)理論上，如果C為無(wú)窮大時(shí)，二極管兩端的電壓中就沒有漏感尖峰。而在實(shí)際中，只需讓二極管兩端電壓的漏感尖峰電壓在其端壓峰值的30％以內(nèi)就可以滿足要求了，這樣同時(shí)成本也不會(huì)太高。
2．3設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可見，在次級(jí)快恢復(fù)二極管的RC緩沖電路中，當(dāng)選擇了適當(dāng)大小的電容C時(shí)，在滿足式(2)的情況下，電阻R應(yīng)該選擇得越小越好。
最終經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試，本設(shè)計(jì)選擇的RC緩沖電路參數(shù)為：
初級(jí)：RS1=200，CSl=100pF
次級(jí)：RS2=RS3=5l，CS2=CS3=1000pF
本設(shè)計(jì)的初級(jí)開關(guān)管的RC緩沖電路中的C值雖然選得稍微比計(jì)算值大一些，但損耗也不是很大，因此還是可以接受的。相對(duì)初級(jí)而言，次級(jí)快恢復(fù)二極管的RC緩沖電路中的C值就選得比計(jì)算值大得多，系統(tǒng)的損耗必然增大。但是，并聯(lián)在快恢復(fù)二極管兩端的RC緩沖電路主要是為了改善系統(tǒng)輸出性能，因此選擇比較大的C值雖然會(huì)使系統(tǒng)的整體效率降低，但二極管兩端的漏感尖峰就減小了很多，而且輸出電壓的紋波也可以達(dá)到指定要求。
根據(jù)以上給出的公式，可以很好而且很方便地選擇出合適的RC緩沖電路。但是在工程應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，通過(guò)實(shí)際調(diào)試才能得到真正合適的參數(shù)。有時(shí)候，為了達(dá)到系統(tǒng)的性能指標(biāo)，犧牲一定的效率也是必要的。總之，在設(shè)計(jì)RC緩沖電路參數(shù)時(shí)，必須綜合考慮系統(tǒng)性能和效率，最終選擇合適的RC參數(shù)。
