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第五講:RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計算舉例

發(fā)布時間:2012-12-16 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責任編輯:hedyxing

【導讀】臨近歲末,《電子元件技術(shù)網(wǎng)》為培養(yǎng)社區(qū)頂級設(shè)計工程師而精心打造的造星平臺---大講臺將為大家?guī)硪徊ㄓ忠徊ǖ捏@喜,最新推出的是社區(qū)技術(shù)專家陶顯芳老師傾情打造的最新賀歲力作:單激式開關(guān)電源漏感與分布電容對輸出波形的影響,以及RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)的計算實例。本站將分五講為大家披露單激式開關(guān)電源的設(shè)計訣竅。

反激式開關(guān)變壓器的漏感一般都比較大,漏感與初級線圈電感之比,大多數(shù)都在2~5%之間。漏感的大小主要與變壓器初、次級線圈的繞法、鐵芯和骨架的結(jié)構(gòu),以及氣隙大小等參數(shù)有關(guān),還與磁通密度取值的大小有關(guān),因為磁通密度取得越大,導磁率就會越小,漏感相對也要增大。漏感小于2%或大于15%的開關(guān)變壓器,其結(jié)構(gòu)一般都比較特殊。

開關(guān)變壓器初級線圈電感量的大小,主要與開關(guān)電源的工作頻率有關(guān),還與工作電壓和輸出功率的大小有關(guān)。一般輸出功率越大,工作頻率就越低,電感量相應也要增大;而工作電壓越高,電感量也越大。一般工作頻率為30~50kHz,工作電壓為AC110V~220V的開關(guān)變壓器,其初級線圈的電感量大約為:300~1000微亨,漏感大約為:10~100微亨;計算時,可按3~6%的比例來取值進行估算。例如:L=1000uH,則可取 Ls = 30~60uH。

開關(guān)變壓器初級線圈的電感L和漏感Ls的大小可以用儀表直接測量。測量開關(guān)變壓器初級線圈漏感的最簡單方法是把開關(guān)變壓器次級線圈兩端短路,然后再測量開關(guān)變壓器初級線圈的電感,即漏感。不過測量時不要選擇測試頻率太高,因為開關(guān)變壓器初級線圈的分布電容對測量結(jié)果影響很大。
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尖峰脈沖吸收電容器容量的計算

要計算尖峰脈沖吸收電容器容量,首先要計算流過變壓器初級線圈電流的最大值。計算流過變壓器初級線圈的最大電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。根據(jù)(26)式,當輸出功率一定時,輸入電壓在一定的范圍內(nèi),流過變壓器初級線圈的最大電流Im和輸出電壓Uo基本是穩(wěn)定的;變壓器初、次級線圈反激輸出電壓的半波平均值也基本是穩(wěn)定的,與輸入電壓的大小無關(guān),但對應不同的輸入電壓必須對應不同的占空比,參看(41)、(42)式。

當流過開關(guān)變壓器初級線圈的最大電流確定之后,尖峰脈沖吸收電容器容量以及電容充電時電壓增量的數(shù)值就可以按(33)~(36)式進行計算。

在實際應用中,電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量的數(shù)值,與開關(guān)管的耐壓BVm的參數(shù)大小有關(guān)。假設(shè)電源開關(guān)管的耐壓BVm為650V,如果預留20%的余量,那么,正常工作時,加到開關(guān)管D-S極之間的最高脈沖電壓只能達到520Vp。而在520Vp的電壓之中,電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量(等于)這一項是要首先考慮的。假設(shè)等于電壓的20%,即:=104V,當最高輸入電壓為360V時(對應交流輸入電壓為AC253V),根據(jù)(39)式可求得:

假設(shè)漏感與開關(guān)變壓器初級線圈的電感L的比值K為5%,根據(jù)(42)式可求勵磁電感產(chǎn)生的反擊輸出電壓的半波平均值為:

大多數(shù)反激式開關(guān)電源的最大輸出功率都在100W一下,因為用于反激式開關(guān)電源功率損耗大于10W的電源開關(guān)管種類很少,如需要較大的輸出功率,一般都選用半橋式或全橋式雙激式開關(guān)電源。

假設(shè)開關(guān)電源的最大輸出功率為50W,當占空比D = 0.5時,變壓器初級線圈的反激輸出電壓的半波平均值與輸入電壓U相等,即,=U=108V,=102.6V,而流過變壓器初級線圈的最大電流Im等于平均電流的4倍,由此可求得最大輸入電流Im = 1.95A ;假設(shè)開關(guān)變壓器初級線圈的電感量L=1000uH,漏感Ls = 50uH。把這些參數(shù)代入(34)式,可求得:

當考慮電阻R對電容器C充電的分流作用,以及開關(guān)管由導通到完全關(guān)斷期間,漏極電流對電容器C充電的分流作用時,根據(jù)(36)式,假設(shè)分流系數(shù)r = 0.5 ,則(52)式還可改寫為:

上面(52)和(53)式的計算結(jié)果,可作為對RCD尖峰脈沖吸收電路進行試驗時,選擇電容器容量的上限和下限,最終結(jié)果需要通過電路試驗來決定。

試驗時,以輸入電壓和輸出功率的最大值為條件,然后,由大到小,選擇不同容量的電容器做試驗,用示波器觀測電源開關(guān)管D-S兩端的電壓,直到Uds與最高耐壓BVm兩者之差能滿足余量要求時,為最佳結(jié)果。

這里順便說明一下,為什么(53)式中的分流系數(shù)取值為0.5,而不是其它數(shù)值。因為,分流系數(shù)r的取值范圍是0~1,它是一個動態(tài)系數(shù),它的大小,除了與輸入電壓和輸出功率和RCD電路中電容、電阻的大小有關(guān)外,還與開關(guān)管的關(guān)斷時間,以及電流大小有關(guān)系。

尖峰脈沖吸收電阻阻值的計算

紋波電壓的大小與釋放電阻R的大小還有關(guān)。一旦電容器的容量確定之后,釋放電阻R的大小就可以根據(jù)(45)~(49)來計算。根據(jù)(38)式,電容器兩端最高電壓為:

根據(jù)(46)式,電容器兩端最低電壓為:

把(54)和(55)式的結(jié)果代入(49)式,即可求出RC的值:


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當RC的值與開關(guān)管導通時間Ton完全相等時,(46)式的值正好等于0.37,與(56)式的結(jié)果非常接近?;蛘弋敿y波電壓=100V時,由(56)式計算得到的結(jié)果正好等于0.37,兩者誤差小于4%,因此,可以認為RC的值與開關(guān)管導通時間Ton完全相等,以此為條件來計算RC的值。即:

把由(52)和(53)式求出電容器C的結(jié)果,以及根據(jù)(25)式求出的Ton值,代入(57)式后即可求出電阻R的值。

由于,當占空比D小于0.5時,流過電感線圈的電流出現(xiàn)斷流(平均值),這也會對分流系數(shù)產(chǎn)生很大的影響,使計算非常復雜;為了簡單,我們在計算開關(guān)管的導通時間Ton時,還是以占空比等于0.5為例。

當占空比等于0.5時,對應的輸入電壓U為108V,對應的最大電流Im為1.95A,假設(shè)開關(guān)變壓器初級線圈的電感量L=1000uH,根據(jù)(25)式,可求得Ton的值為:

把(53)、(58)式的計算結(jié)果:C = 4395P,Ton = 18uS ,代入(57)式:

即:計算結(jié)果為:C = 4395P ; R = 4096 歐姆。

試驗結(jié)果表明,(53)和(59)式的計算結(jié)果是合理的。當開關(guān)變壓器初級線圈的漏感為5%時,其反激輸出電壓的平均功率也為5%(Pa = 2.5W);由于電容器C兩端電壓的半波平均值為108V,當漏感輸出的功率完全被電阻R吸收時,電阻R的最佳值為4.7K,而根據(jù)(59)式計算的結(jié)果為4096 ?(2.85W),與精確值2.5瓦相差0.35W。這正是把(36)式設(shè)為電容器取值范圍下限,對應(53)和(59)所求得的結(jié)果,即由(59)所求得的結(jié)果還是一個保守的結(jié)果,但其離精確值已經(jīng)非常近。由此可知,要提高開關(guān)電源工作效率,必須要降低開關(guān)變壓器的漏感。

當輸入電壓為最大值(AC260V)的時候,其占空比大約只有0.3左右,因此,電容器充電的時間要比放電的時間長很多;但在電容器還充電期間變壓器初級線圈會出現(xiàn)斷流,這相當于電容器會提前放電,其結(jié)果與占空比等于0.5時的結(jié)果基本相同。但做試驗時,最好還是以輸入電壓為最大值時為準。如電阻R的值取得小些,相當于分流系數(shù)r降低,這對降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗是有好處的,因為,開關(guān)變壓器漏感儲存的磁能量,一部分是通過開關(guān)管關(guān)斷時產(chǎn)生的損耗來釋放的,另一部分則是通過RCD回路中的電容充電和電阻分流來進行釋放;但電阻的阻值取得太小,又會從勵磁電感線圈吸收能量,降低開關(guān)電源的工作效率。

在反激式開關(guān)電源中,很多人用一個穩(wěn)壓二極管來代替RCD電路中的電阻和電容,用以對開關(guān)管進行過壓保護,如圖8所示。從原理上來說,這種方法對開關(guān)管的過壓保護是有效的,但實踐證明,這種保護方法可靠性很差。因為,當開關(guān)管關(guān)斷時,1.95A(以上面計算結(jié)果為例)的電流流過150~200V的穩(wěn)壓二極管,其產(chǎn)生的瞬時功率高達290~390W,這么大的瞬時功率很容易使穩(wěn)壓二極管局部損傷,當損傷程度達到某個臨界點后,就會產(chǎn)生熱擊穿,造成穩(wěn)壓二極管永久失效。

圖8

另外,當穩(wěn)壓二極管還沒擊穿之前,它不會對開關(guān)管分流,從而大大增大開關(guān)管的關(guān)斷損耗;并且,流過穩(wěn)壓二極管的電流還產(chǎn)生很大的電流突跳,很容易產(chǎn)生高頻電磁輻射。因此,對開關(guān)管進行過壓保護,在安全及EMC技術(shù)性能方面,選用RC要遠遠優(yōu)于選用穩(wěn)壓二極管。
 

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