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網友分享:一種有效的反激鉗位電路設計方法

發(fā)布時間:2013-10-10 責任編輯:eliane

【導讀】單端反激式開關電源被廣泛應用于小功率場合,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。本文所介紹的鉗位電路設計方法,可較好地吸收漏感能量而不消耗主勵磁電感能量,磁芯能量可以快速、高效地傳遞,為反激變換器的設計提供了很好的依據(jù)。

單端反激式開關電源具有結構簡單、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,廣泛應用于小功率場合。然而,由于漏感影響,反激變換器功率開關管關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。

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計和繞制使之減小。設計和繞制是否合理,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電感的2%左右。設計時應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系,耦合效果更好。初級和次級繞線也要盡量靠得緊密。

RCD鉗位電路參數(shù)設計

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RCD鉗位電路,其拓撲如圖2所示。

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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)化設計,下面分析其工作原理:當S1關斷時,漏感Lk釋能,D導通,C上電壓瞬間充上去,然后D截止,C通過R放電。

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);

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(h);

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,消耗變壓器的能量,降低效率,見圖3(c);
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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,器件應力高。

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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,器件應力大。可折衷處理,在第4)種方式基礎上增大電容,降低電壓峰值,同時調節(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。

3、參數(shù)設計

S1關斷時,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=2π、LkC,經過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,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??傊珻充電時間是很短的,相對于整個開關周期,可以不考慮。對于理想的鉗位電路工作方式,見圖3(e)。

S1關斷時,漏感釋能,電容快速充電至峰值Vcmax,之后RC放電。由于充電過程非常短,可假設RC放電過程持續(xù)整個開關周期。RC值的確定需按最小輸入電壓,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,必須大于副邊反射電壓。

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可做線性化處理來設定Vcmax,如圖4所示,由幾何關系得:
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實驗分析

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。有關實驗波形如圖5-圖8所示。
 

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圖7顯示在副邊反射電壓點沒有出現(xiàn)平臺,說明結果與理論分析吻合。

結語

按照文中介紹的方法設計的鉗位電路,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應力,又保證了足夠電壓脈動量,磁芯能量可以快速、高效地傳遞,為反激變換器的設計提供了很好的依據(jù)。

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