單端反激式開(kāi)關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jià)低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于小功率場(chǎng)合。然而,由于漏感影響,反激變換器功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)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(jiǎn)潔且易實(shí)現(xiàn),因而在小功率變換場(chǎng)合RCD鉗位更有實(shí)用價(jià)值。
漏感抑制
變壓器的漏感是不可消除的,但可以通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和繞制使之減小。設(shè)計(jì)和繞制是否合理,對(duì)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(jí)電感的2%左右。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合變壓器磁芯的選擇和初級(jí)匝數(shù)的確定,盡量使初級(jí)繞組可緊密繞滿磁芯骨架一層或多層。繞制時(shí)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(jí)和次級(jí)繞線也要盡量靠得緊密。
RCD鉗位電路參數(shù)設(shè)計(jì)
1、變壓器等效模型
圖1為實(shí)際變壓器的等效電路,勵(lì)磁電感同理想變壓器并聯(lián),漏感同勵(lì)磁電感串聯(lián)。勵(lì)磁電感能量可通過(guò)理想變壓器耦合到副邊,而漏感因?yàn)椴获詈?,能量不能傳遞到副邊,如果不采取措施,漏感將通過(guò)寄生電容釋放能量,引起電路電壓過(guò)沖和振蕩,影響電路工作性能,還會(huì)引起EMI問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀器件,為抑制其影響,可在變壓器初級(jí)并聯(lián)無(wú)源RCD鉗位電路,其拓?fù)淙鐖D2所示。
2、鉗位電路工作原理
引入RCD鉗位電路,目的是消耗漏感能量,但不能消耗主勵(lì)磁電感能量,否則會(huì)降低電路效率。要做到這點(diǎn)必須對(duì)RC參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),下面分析其工作原理:當(dāng)S1關(guān)斷時(shí),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(guò)R放電。
1)若C值較大,C上電壓緩慢上升,副邊反激過(guò)沖小,變壓器能量不能迅速傳遞到副邊,見(jiàn)圖3(a);
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?fù)載,一直在消耗磁芯能量,見(jiàn)圖3(h);
3)若RC值太小,C上電壓很快會(huì)降到副邊反射電壓,故在St開(kāi)通前,鉗位電阻只將成為反激變換器的死負(fù)載,消耗變壓器的能量,降低效率,見(jiàn)圖3(c);
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4)如果RC值取得比較合適,使到S1開(kāi)通時(shí),C上電壓放到接近副邊反射電壓,到下次導(dǎo)通時(shí),C上能量恰好可以釋放完,見(jiàn)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。可折衷處理,在第4)種方式基礎(chǔ)上增大電容,降低電壓峰值,同時(shí)調(diào)節(jié)R,使到S1開(kāi)通時(shí),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(kāi)通,如圖3(e)所示。
3、參數(shù)設(shè)計(jì)
S1關(guān)斷時(shí),Lk釋能給C充電,R阻值較大,可近似認(rèn)為L(zhǎng)k與C發(fā)生串聯(lián)諧振,諧振周期為T(mén)LC=2π、LkC,經(jīng)過(guò)1/4諧振周期,電感電流反向,D截止,這段時(shí)間很短。由于D存在反向恢復(fù),電路還會(huì)有一個(gè)衰減振蕩過(guò)程,而且是低損的,時(shí)間極為短暫,因此叮以忽略其影響。總之,C充電時(shí)間是很短的,相對(duì)于整個(gè)開(kāi)關(guān)周期,可以不考慮。對(duì)于理想的鉗位電路工作方式,見(jiàn)圖3(e)。
S1關(guān)斷時(shí),漏感釋能,電容快速充電至峰值Vcmax,之后RC放電。由于充電過(guò)程非常短,可假設(shè)RC放電過(guò)程持續(xù)整個(gè)開(kāi)關(guān)周期。RC值的確定需按最小輸入電壓,最大負(fù)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(shí)間也會(huì)增加,鉗位電容電壓波形會(huì)出現(xiàn)平臺(tái),鉗位電路將消耗主勵(lì)磁電感能量。對(duì)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,必須大于副邊反射電壓。
可做線性化處理來(lái)設(shè)定Vcmax,如圖4所示,由幾何關(guān)系得:
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實(shí)驗(yàn)分析
輸入直流電壓,30(1%26;#177;2%)v,輸出12V/lA,最大占空比Dmax=0.45,采用UC3842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(shí)驗(yàn)波形如圖5-圖8所示。
圖7顯示在副邊反射電壓點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)平臺(tái),說(shuō)明結(jié)果與理論分析吻合。
結(jié)語(yǔ)
按照文中介紹的方法設(shè)計(jì)的鉗位電路,可以較好地吸收漏感能量,同時(shí)不消耗主勵(lì)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(kāi)關(guān)應(yīng)力,又保證了足夠電壓脈動(dòng)量,磁芯能量可以快速、高效地傳遞,為反激變換器的設(shè)計(jì)提供了很好的依據(jù)。
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