開(kāi)關(guān)電源中RC緩沖電路的設計應用

　　在帶變壓器的開(kāi)關(guān)電源拓撲中，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電壓和電流的重疊引起的損耗是開(kāi)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電路中也會(huì )出現過(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(kāi)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(kāi)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 MOSFET管的關(guān)斷緩沖電路來(lái)進(jìn)行討論。

　　RC緩沖電路設計

　　在設計RC緩沖電路時(shí)，必須熟悉主電路所采用的拓撲結構情況。圖l所示是由RC組成的正激變換器的緩沖電路。圖中，當Q關(guān)斷時(shí)，集電極電壓開(kāi)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(kāi)關(guān)管Q的損耗。而在下次開(kāi)關(guān)關(guān)斷之前，C必須將已經(jīng)充滿(mǎn)的電壓2Vdc放完，放電路徑為C、Q、R。

　　假設開(kāi)關(guān)管沒(méi)帶緩沖電路，圖1所示的正激變換器的復位繞組和初級繞組匝數相同。這樣，當Q關(guān)斷瞬間，儲存在勵磁電感和漏感中的能量釋放，初級繞組兩端電壓極性反向，正激變換器的開(kāi)關(guān)管集電極電壓迅速上升到2Vdc。同時(shí)，勵磁電流經(jīng)二極管D流向復位繞組，最后減小到零，此時(shí)Q兩端電壓下降到Vdc。圖2所示是開(kāi)關(guān)管集電極電流和電壓波形?？梢?jiàn)，開(kāi)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，嚴重時(shí)很可能會(huì )燒壞開(kāi)關(guān)管，因此，必須給開(kāi)關(guān)管加上緩沖電路。

　　當開(kāi)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)。

　　在圖1中，當Q開(kāi)始關(guān)斷時(shí)，其電流開(kāi)始下降，而變壓器漏感會(huì )阻止這個(gè)電流的減小。一部分電流將繼續通過(guò)將要關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管，另一部分則經(jīng)RC緩沖電路并對電容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(zhù)降低開(kāi)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷階段，C-D為開(kāi)關(guān)管導通階段。在開(kāi)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，則每周期內消耗在R上的能量為：

　　對限制集電極上升電壓來(lái)說(shuō)，C應該越大越好；但從系統效率出發(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(kāi)始時(shí)刻(D時(shí)刻)必須保證C兩端沒(méi)有電壓，所以，在B時(shí)刻到D時(shí)刻之間的某時(shí)間段內，C必須放電。實(shí)際上，電容C在C-D這段時(shí)間內，也可以通過(guò)電阻R經(jīng)Q和R構成的放電回路進(jìn)行放電。因此，在選擇了一個(gè)足夠大的C后，R應使C在最小導通時(shí)間ton內放電至所充電荷的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就成了設計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Q開(kāi)始關(guān)斷時(shí)，假設最初的峰值電流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(kāi)關(guān)管集電極電壓在時(shí)間tf內上升到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(kāi)關(guān)管數據手冊上查詢(xún))，則有：

　　因此，從式(1)和式(3)便能計算出電容C的大小。在確定了C后，而最小導通時(shí)間已知，這樣，通過(guò)式(2)就可以得到電阻R的大小。

　　帶RC緩沖的正激變換器主電路設計

　　1 電路設計

　　圖4所示是一個(gè)帶有RC緩沖電路的正激變換器主電路。該主電路參數為：Np=Nr=43匝。Ns=32匝，開(kāi)關(guān)頻率f=70 kHz，輸入電壓范圍為直流48～96 V，輸出為直流12 V和直流0.5 A。

　　開(kāi)關(guān)管Q為MOSFET，型號為IRF830，其tf一般為30 ns。

　　Dl、D2、D3為快恢復二極管，其tf很小(通常tf=30 ns)。

　　本設計的輸出功率P0=V0I0=6 W，假設變換器的效率為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=48 V。

　　2 實(shí)驗分析

　　下面分兩種情況對該設計進(jìn)行實(shí)驗分析，一是初級繞組有緩沖，次級無(wú)緩沖；二是初級無(wú)緩沖，次級有緩沖。

　　(1)初級繞組有緩沖，次級無(wú)緩沖

　　該實(shí)驗測量的是開(kāi)關(guān)管Q兩端的漏源電壓，實(shí)驗分以下兩種情況：

　　第一種情況是RS1=1.5 kΩ，CS1不定，輸入直流電壓Vdc為48 V。

　　其實(shí)驗結果為：在RS1不變的情況下，CSl越大，雖然開(kāi)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)明在初級開(kāi)關(guān)管的RC緩沖電路中，CSl應該選擇比較小的值。

　　第二種情況是CSl=33 pF，RS1不定，輸入直流電壓Vdc為48 V。其結果是：當CS1不變時(shí)，RS1越大，開(kāi)關(guān)管Q的漏感尖峰電壓越大(增幅比較小)。

　　可見(jiàn)，RC緩沖電路中，參數R的大小對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(mǎn)足式(2)時(shí)，R應該選擇比較小的值。

　　(2)次級繞組有緩沖，初級無(wú)緩沖

　　本實(shí)驗以D2、D3的陰極作為公共端來(lái)測量快恢復二極管的端壓，其結果是，當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(méi)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?xún)染涂梢詽M(mǎn)足要求了，這樣同時(shí)成本也不會(huì )太高。

　　3 設計參數的確定

　　通過(guò)實(shí)驗分析可見(jiàn)，在次級快恢復二極管的RC緩沖電路中，當選擇了適當大小的電容C時(shí)，在滿(mǎn)足式(2)的情況下，電阻R應該選擇得越小越好。

　　最終經(jīng)過(guò)實(shí)際調試，本設計選擇的RC緩沖電路參數為：

　　初級：RS1=200，CSl=100 pF

　　次級：RS2=RS3=5l，CS2=CS3=1000 pF

　　本設計的初級開(kāi)關(guān)管的RC緩沖電路中的C值雖然選得稍微比計算值大一些，但損耗也不是很大，因此還是可以接受的。相對初級而言，次級快恢復二極管的 RC緩沖電路中的C值就選得比計算值大得多，系統的損耗必然增大。但是，并聯(lián)在快恢復二極管兩端的RC緩沖電路主要是為了改善系統輸出性能，因此選擇比較大的C值雖然會(huì )使系統的整體效率降低，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到指定要求。

　　結束語(yǔ)

　　根據以上給出的公式，可以很好而且很方便地選擇出合適的RC緩沖電路。但是在工程應用中，應該根據系統設計的性能指標，通過(guò)實(shí)際調試才能得到真正合適的參數。有時(shí)候，為了達到系統的性能指標，犧牲一定的效率也是必要的?？傊?，在設計RC緩沖電路參數時(shí)，必須綜合考慮系統性能和效率，最終選擇合適的 RC參數。