工程師為您講解:開關(guān)電源中RC緩沖電路的設(shè)計
在帶變壓器的開關(guān)電源拓撲中,開關(guān)管關(guān)斷時,電壓和電流的重疊引起的損耗是開關(guān)電源損耗的主要部分,同時,由于電路中存在雜散電感和雜散電容,在功率開關(guān)管關(guān)斷時,電路中也會出現(xiàn)過電壓并且產(chǎn)生振蕩。如果尖峰電壓過高,就會損壞開關(guān)管。同時,振蕩的存在也會使輸出紋波增大。為了降低關(guān)斷損耗和尖峰電壓,需要在開關(guān)管兩端并聯(lián)緩沖電路以改善電路的性能。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/227192.htm緩沖電路的主要作用有:一是減少導(dǎo)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)斷緩沖電路來進行討論。
1 RC緩沖電路設(shè)計
在設(shè)計RC緩沖電路時,必須熟悉主電路所采用的拓撲結(jié)構(gòu)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(dāng)Q關(guān)斷時,集電極電壓開始上升到2Vdc,而電容C限制了集電極電壓的上升速度,同時減小了上升電壓和下降電流的重疊,從而減低了開關(guān)管Q的損耗。而在下次開關(guān)關(guān)斷之前,C必須將已經(jīng)充滿的電壓2Vdc放完,放電路徑為C、Q、R。
假設(shè)開關(guān)管沒帶緩沖電路,圖1所示的正激變換器的復(fù)位繞組和初級繞組匝數(shù)相同。這樣,當(dāng)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,正激變換器的開關(guān)管集電極電壓迅速上升到2Vdc。同時,勵磁電流經(jīng)二極管D流向復(fù)位繞組,最后減小到零,此時Q兩端電壓下降到Vdc。圖2所示是開關(guān)管集電極電流和電壓波形??梢?,開關(guān)管不帶緩沖電路時,在Q關(guān)斷時,其兩端的漏感電壓尖峰很大,產(chǎn)生的關(guān)斷損耗也很大,嚴重時很可能會燒壞開關(guān)管,因此,必須給開關(guān)管加上緩沖電路。
當(dāng)開關(guān)管帶緩沖電路時,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(dāng)Q開始關(guān)斷時,其電流開始下降,而變壓器漏感會阻止這個電流的減小。一部分電流將繼續(xù)通過將要關(guān)斷的開關(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的一部分流進電容C,可減緩集電極電壓的上升。通過選取足夠大的C,可以減少集電極的上升電壓與下降電流的重疊部分,從而顯著降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗,同時還可以抑制集電極漏感尖峰電壓。
圖3中的A-C階段為開關(guān)管關(guān)斷階段,C-D為開關(guān)管導(dǎo)通階段。在開關(guān)管關(guān)斷前,電容C兩端電壓為零。在關(guān)斷時刻(B時刻),C會減緩集電極電壓的上升速度,但同時也被充電到2Vdc(在忽略該時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(nèi)消耗在R上的能量為:
對限制集電極上升電壓來說,C應(yīng)該越大越好;但從系統(tǒng)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(tǒng)損耗過大而使效率過低。
在圖3中,由于在下一個關(guān)斷開始時刻(D時刻)必須保證C兩端沒有電壓,所以,在B時刻到D時刻之間的某時間段內(nèi),C必須放電。實際上,電容C在C-D這段時間內(nèi),也可以通過電阻R經(jīng)Q和R構(gòu)成的放電回路進行放電。因此,在選擇了一個足夠大的C后,R應(yīng)使C在最小導(dǎo)通時間ton內(nèi)放電至所充電荷的5%以下,這樣則有:
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