1、一种有效的反激 钳位电路设计方法 日期： 2006-6-27 来源：电源技术应用 作者：姜德 来， 张晓峰， 吕征宇 字体： 大 中 小 0 引言 单端反激式开关电源具有结构简单、输入输出电气隔离、电压升降范围宽、易于多路输出、可靠性高 、造价低等优点，广泛应用于小功率场合。然而，由于漏感影响，反激变换器功率开关管关断时将引起电压尖峰，必须用钳位电路加以抑制。由于RCD 钳位电路比有源钳位电路更简洁且易实现，因而在小功率变换场合 RCD 钳位更有实用价值。 1 漏感抑制 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
2、法，可将漏感控制在初级电感的 2左右。 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。 2 RCD 钳位电路参数设计 2.1 变压器等效模型 图 1 为实际变压器的等效电路， 励磁电感 同理想变压器并联，漏感同励磁电感串联。励磁电感能量可通过理想变压器耦合到副边，而漏感因为不耦合，能量不能传递到副边，如果不采取措施，漏感将通过寄生电容释放能量，引起电路电压过冲和振荡，影响电路工作性能，还会引起 EMI 问题，严重时会烧毁器件，为抑制
3、其影 响，可在变压器初级并联无源 RCD 钳位电路，其拓扑如图 2 所示 。 2.2 钳位电路工作原理 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。要做到这点必须对 RC 参数进行优化设计，下面分析其工作原 理： 当 S1 关断时，漏感 Lk 释能， D 导通， C 上电压瞬间充上去，然后 D截止， C通过 R 放电。 就是反射电压 均是将反射电压吸收了部分 实验表明， C 越大，这儿就越平滑 实验表明 R 或 C 值越小就会这样， R 太小，放电就快，C 太小很快充满，小到一定程度就会这样回到零 。 1)若 C 值较大， C 上电压缓慢上升，
4、副边反激过冲小，变压器能量不能迅速传递到副边，见图 3(a)； 2)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，即钳位电阻变为死负载，一直在消耗磁芯能量，见图 3(b)； 3)若 RC 值太小， C 上电压很快会降到副边反射电压，故在 St 开通前，钳位电阻只将成为反激变换器的死负载，消 耗变压器的能量，降低效率，见图 3(c)： 4)如果 RC 值取得比较合适，使到 S1 开通时， C 上电压放到接近副边反射电压，到下次导通时， C 上能量恰好可以释放完，见图 3(d)，这种情况钳位效果较好，但电容峰值电压大，器件应力高。 第 2)和第 3)种方
5、式是不允许的，而第 1)种方式电压变化缓慢，能量不能被迅速传递，第 4)种方式电压峰值大，器件应力大。可折衷处理， 在第 4)种方式基础上增大电容，降低电压峰值，同时调节 R， 使 得 S1 开通时， C 上电压放到接近副边反射电压，之后 RC继续放电至 S1 下次开通 ， 如图 3(e)所示。 本 人认为此分析清楚地说明 RC 放电时间常数要大于开关周期， 至少要大于截止时间， 也就是 RC 振荡频率小于开关频率。 2.3 参数设计 S1 关断时， Lk 释能给 C 充电， R 阻值较大，可近似认为 Lk与 C 发生串联谐振，谐振周期为 TLC=2 CLk ，经过 1 4 谐振周期，电感电流
6、反向， D 截止，这段时间很短。由于 D 存在反向恢复 ，电路还会有一个衰减振荡过程，而且是低损的，时间极为短暂，因此 可 以忽略其影响。 总之， C 充电时间是很短的，相对于整个 开关周期，可以不考虑 。 本人认为这讲的极有道理，开关管截止时间里充电过后就要放电，所以在实际实验中如果 R 太小还没到开关管导通 C 的电已放完了，故出现 了一个平台 ，这时会消耗反射电压的能量， 所以 R 的取值一定要使 C的放电电压在开关管 导通 前不小于反射电压 。 在进入到导通时间后 C 的电压为负值，千万不要认为是某个电压对 C 反向充电，本人认为是开关管导通后呈现的低电位。 对于理想的钳位电路工作方式
7、，见图 3(e)。 S1 关断时，漏感释能，电容快速充电至峰值 Vcmax，之后 RC 放电。由于充电过程非常短，可假设 RC 放电过程持续整 个开关周期。 RC 值的确定需按最小输入电压 （ 但有的书上说是按最大值 ， 实际测试表明似乎应是最大值 ） ， 最大负载，即最大占空比 （ 我认为是 最小占空比） 条件工作选取，否则，随着 D 的增大，副边导通时间也会增加，钳位电容电压波形会出现平台，钳位电路将消耗主励磁电感能量。 对图 3(c)工作方式，峰值电压太大，现考虑降低 Vcmax。 Vcmax 只有最小值限制，必须大于副边反射电压 可做线性化处理来设定 Vcmax，如图 4 所示，由几何
8、关系得为保 证 S1 开通时， C 上电压刚好放到 需满足 （此处认为开关关断的时间为从峰值电压下降到反射电压所用的时间） 将 (1)式代入 (2)式可得 m a xm a x( 1 )lnDTRCD （ 3） 对整个周期 RC 放电过程分析，有 （此处认为整个周期为从峰值电压放电到最小值整个过程所用的时间） 根据能量关系有 式中： Ipk Lk 释能给 C 的电流峰值将式 (1)和式 (4)代人式 (5)，得 同理这公式有错误应是： m a xm a x22 l n ( )12m a x 1k p kDDcLICVe . 结合式 (3)，得 应是 m a xm a x( 1 )lnDTRCD
9、 电阻功率选取依据 式中： fs 为变换器的工作频率。 3 实验分析 输入直流电压 30(12 )v，输出 12V lA，最大占空比 Dmax=0.45，采用UC3842 控制，工作于 DCM 方式，变压器选用 CER28A 型磁芯，原边匝数为 24 匝，副边取 13 匝 。 有关实验波形如图 5图 8 所示。 图 7 显示在副边反射电压点没有出现平台，说明结果与理论分析吻合。 4 结语 按照文中介绍的方法设计的钳位电路，可以较好地吸收漏感能量，同时不消耗主励磁电感能量。经折衷优化处理，既抑制了电容电压峰值，减轻了功率器件的开关应力，又保证了足够电压脉动量，磁芯能量可以快速、高效地传递，为反激
10、变换器的设计提供了很好的依据。 网上相关人员讨论： 1 关于吸收电路的问题，很有分析的必要，我也曾对此仔细分 析过。我再分析一下，你可以按照这个思路自己进行计算。 开关管漏极上的电压由三部分组成：电源电压，反击感应电压 (等于输出电压除以杂比 )，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。 首先计算吸收电阻的功耗 ，如果能做到只对漏感能量吸收，那么他的功率容量应该 是漏感功率的 1.5-2 倍。 漏感的量能为 0.5*Ls*Ip*Ip*f， f=工作频率， Ls=漏感， Ip关断时的开关管峰值电流，这样
11、算出来的结果是很准确的。 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：反击感应电压 (等于输出电压除以 匝 比 )，漏感冲击电压。电压是一个微分波形，也就是电容放电波形，随着放电，电压会越来越低，当开关管的截止期结束时，一定不要让电压下降到反激感应电压以下，否则就会损耗 “ 本体 ” 能量。 再计算吸收元件的数值 ，电容太小时，漏感能量灌入后，电压会突升的太高，有可能击穿开关管，可以根据你的开关管耐压，和你希望的振铃高度，确定一个峰值电压，比如 100 伏，截止期结束时，我们给他定一个终止电压，比如 50 伏，这样，就可以计算出吸收电容的数值来 ： 原理是，电容电压变化量所
12、导致的能量差 = 一个周期的漏感能量。 （上面的公式 5） 假设反激感应电压为 U，那么电容电压的最大值就是 (U+100)，最小值就是(U+50)，电容中的能量有一个计算公式， Ec=0.5*C*U*U， 所以，能量差就是： Ech-Ecl=0.5*C*(U+100)*(U+100)-(U+50)*(U+50)， U是已知的，能量差也是已知的，电容还算不出来吗？ 最后计算吸收电阻 。电容放电公式： u=Uo*exp(-t/) ， t/= -ln(U+50)/(U+100)经本人推算 应是 t/= -ln(U+100)/(U+50)， 或 -t/= -ln(U+50)/(U+100)，掉了个负
13、号 原文作者 在发贴时可能笔 误 ， t=截止期时间 (按正常工作时的截止时间计算 )，可以算出 ， =RC 吸收时间常数，那么吸收电阻不也就出来吗？ 本人认为这个讲的有道理 . 2.按上述理论进行计算： 变压器初级电感 L=632uH，漏感 Llou= 29uH。 先算 Ip: 假定最大输出功率时是 DCM 模式 . 则 Pin = 0.5*Ls*Ip*Ip*f Ip = (Pin/0.5*Ls*f)(0.5) = (P0/*0.5*Ls*f)(0.5) = (150/0.85*0.5*623*10(-6)*70*10(3) = 2.7A 漏感的能量为 0.5*Ls*Ip*Ip*f， f=工作频率， Ls=漏感， Ip关断时的开关管峰值电流 Wlou= 0.5*Ls*Ip*Ip*f = 0.5 * 29*10(-6) * 2.7 * 2.7 * 70*10(3) = 7.3 W 由上面漏感能量数值可看出，漏感能量太大了，如果此能量全都由电阻来消耗，按两倍功率计算，要 15W 的电阻。这是无法办到的。 这么大的功耗，从上面计算可以看出，是由于初级 Ip太大造成
