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1、 电源招聘专家开关电源中 RC 缓冲电路的设计在带变压器的开关电源拓扑中，开关管关断时，电压和电流的重叠引起的损耗是开关电源损耗的主要部分，同时，由于电路中存在杂散电感和杂散电容，在功率开关管关断时，电路中也会出现过电压并且产生振荡。如果尖峰电压过高，就会损坏开关管。同时，振荡的存在也会使输出纹波增大。为了降低关断损耗和尖峰电压，需要在开关管两端并联缓冲电路以改善电路的性能。缓冲电路的主要作用有：一是减少导通或关断损耗；二是降低电压或电流尖峰；三是降低dV dt 或 dIdt 。由于 MOSFET 管的电流下降速度很 快，所以它的关断损耗很小。虽然MOSFET 管依然使用关断缓冲电路，但它的作
2、用不是减少关断损耗，而是降低变压器漏感尖峰电压。本文主要针对 MOSFET 管的关断缓冲电路来进行讨论。1 RC 缓冲电路设计在设计 RC 缓冲电路时，必须熟悉主电路所采用的拓扑结构情况。图 l 所示是由 RC 组成的正激变换器的缓冲电路。图中，当 Q 关断时，集电极电压开始上升到2Vdc，而电容 C 限制了集电极电压的上升速度，同时减小了上升电压和下降电流的重叠，从而减低了开关管 Q的损耗。而在下次开关关断之前，C 必须将已经充满的电压2Vdc 放完，放电路径为C、 Q、R。假设开关管没带缓冲电路，图1所示的正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同。这样，当 Q 关断瞬间，储存在励磁电感和漏感
3、中的能量释放，初级绕组两 端电压极性反向，正激变换器的开关管集电极电压迅速上升到2Vdc。同时，励磁电流经二极管 D 流向复位绕组，最后减小到零，此时 Q 两端电压下降到 Vdc。 图2所示是开关管集电极电流和电压波形。可见，开关管不带缓冲电路时，在 Q 关断时，其两端的漏感电压尖峰很大，产生的关断损耗也很大，严重时很可能会烧坏 开关管，因此，必须给开关管加上缓冲电路。 电源招聘专家当开关管带缓冲电路时，其集电极电压和电流波形如图3所示( 以正激变换器为例)。在图1中，当 Q 开始关断时，其电流开始下降，而变压器漏感会阻止这个电流的减小。一部分电流将继续通过将要关断的开关管，另一部分则经 RC
4、 缓冲电路并对电容 C 充电，电阻 R 的大小与充电电流有关。Ic 的一部分流进电容 C，可减缓集电极电压的上升。通过选取足够大的 C，可以减少集电极的上升电压与下降电流的重叠部分，从而显著降低开关管的关断损耗，同时还可以抑制集电极漏感尖峰电压。图3 中的 A-C 阶段为开关管关断阶段，C-D 为开关管导通阶段。在开关管关断前，电容 C 两端电压为零。在关断时刻(B 时刻 )，C 会减缓集电极电压的上升速度，但同时也被充电到2Vdc(在忽略该时刻的漏感尖峰电压的情况下)。电容 C 的大小不仅影响集电极电压的上升速度，而且决定了电阻 R 上的能量损耗。在 Q 关 电源招聘专家断瞬间，C 上的电压
5、为2Vdc，它储存的能量为 05C(2Vdc)2焦耳。如果该能量全部消耗在 R上，则每周期内消耗在 R 上的能量为：对限制集电极上升电压来说，C 应该越大越好；但从系统效率出发，C 越大，损耗越大，效率越低。因此，必须选择合适的 C，使其既能达到一定的减缓集电极上升电压速度的作用，又不至于使系统损耗过大而使效率过低。在图3中，由于在下一个关断开始时刻(D 时刻) 必须保证 C 两端没有电压，所以，在 B 时刻到 D 时刻之间的某时间段内， C 必须放电。实际上，电容 C 在 C-D 这段时间内，也可以通过电阻 R 经 Q 和 R 构成的放电回路进行放电。因此，在选择了一个足够大的 C 后，R
6、应使C 在最小导通时间 ton 内放电至所充电荷的5以下，这样则有：式(1)表明 R 上的能量损耗是和 C 成正比的，因而必须选择合适的 C，这样，如何选择 C 就成了设计 RC 缓冲电路的关键，下面介绍一种比较实用的选择电容 C 的方法。事实上，当 Q 开始关断时，假设最初的峰值电流 Ip 的一半流过 C，另一半仍然流过逐渐关断的 Q 集电极，同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为 Ip。那么，通过选择合适的电容 C，以使开关管集电极电压在时间 tf 内上升到2Vdc(其中 tf 为集电极电流从初始值下降到零的时间，可以从开关管数据手册上查询)，则有：因此，从式(1)和式(3) 便能计算出电
7、容 C 的大小。在确定了 C 后，而最小导通时间已知，这样，通过式(2)就可以得到电阻 R 的大小。2 带 RC 缓冲的正激变换器主电路设计2 1 电路设计图4 所示是一个带有 RC 缓冲电路的正激变换器主电路。该主电路参数为：Np=Nr=43匝。Ns=32匝，开关频率 f=70 kHz，输入电压范围为直流4896 V，输出为直流12 V 和直流0 5 A。 电源招聘专家开关管 Q 为 MOSFET，型号为 IRF830，其 tf 一般为30 ns。Dl、 D2、D3为快恢复二极管，其 tf 很小(通常 tf=30 ns)。本设计的输出功率 P0=V0I0=6 W，假设变换器的效率为80，每一
8、路 RC 缓冲电路所损耗的功率占输出功率的1。这里取 Vdc=48 V。2 2 实验分析下面分两种情况对该设计进行实验分析，一是初级绕组有缓冲，次级无缓冲；二是初级无缓冲，次级有缓冲。(1)初级绕组有缓冲，次级无缓冲该实验测量的是开关管 Q 两端的漏源电压，实验分以下两种情况：第一种情况是 RS1=15 k，CS1不定，输入直流电压 Vdc 为48 V。其实验结果为：在 RS1不变的情况下，CSl 越大，虽然开关管 Q 的漏感尖峰电压无明显降低，但它的漏源电压变得平缓了，这说明在初级开关管的 RC 缓冲电路中，CSl 应该选择比较小的值。第二种情况是 CSl=33 pF，RS1不定，输入直流电
9、压 Vdc 为48 V。其结果是：当 CS1不变时，RS1越大，开关管 Q 的漏感尖峰电压越大( 增幅比较小)。可见，RC 缓冲电路中，参数 R 的大小对降低漏感尖峰有很大的影响。在选定一个合适的C，同时满足式(2)时，R 应该选择比较小的值。(2)次级绕组有缓冲，初级无缓冲本实验以 D2、D3 的阴极作为公共端来测量快恢复二极管的端压，其结果是，当 R 不变时，C 越大，二极管两端的漏感尖峰越小。同时理论上，如果 C 为无 穷大时，二极管两端的电压中就没有漏感尖峰。而在实际中，只需让二极管两端电压的漏感尖峰电压在其端压峰值的30 以内就可以满足要求了，这样同时成本也 不会太高。2 3 设计参
10、数的确定通过实验分析可见，在次级快恢复二极管的 RC 缓冲电路中，当选择了适当大小的电容 C时，在满足式(2)的情况下，电阻 R 应该选择得越小越好。最终经过实际调试，本设计选择的 RC 缓冲电路参数为：初级：RS1=200，CSl=100 pF次级：RS2=RS3=5l ，CS2=CS3=1000 pF 电源招聘专家本设计的初级开关管的 RC 缓冲电路中的 C 值虽然选得稍微比计算值大一些，但损耗也不是很大，因此还是可以接受的。相对初级而言，次级快恢复二极管的 RC 缓冲电路中的 C值就选得比计算值大得多，系统的损耗必然增大。但是，并联在快恢复二极管两端的 RC缓冲电路主要是为了改善系统输出性能，因此选择比较 大的 C 值虽然会使系统的整体效率降低，但二极管两端的漏感尖峰就减小了很多，而且输出电压的纹波也可以达到指定要求。3 结束语根据以上给出的公式，可以很好而且很方便地选择出合适的 RC 缓冲电路。但是在工程应用中，应该根据系统设计的性能指标，通过实际调试才能得到真正合 适的参数。有时候，为了达到系统的性能指标，牺牲一定的效率也是必要的。总之，在设计 RC 缓冲电路参数时，必须综合考虑系统性能和效率，最终选择合适的 RC 参数。
