反激變換器中RCD箝位電路的分析與設(shè)計

趙海偉，秦海鴻，朱梓悅

（南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室，南京210016）

引言

反激變換器具有寬范圍電壓輸入、易于實現(xiàn)多路輸出、體積小、成本低、可靠性高等特點，被廣泛應(yīng)用于中小功率場合，如電源適配器、模塊電源等[1-2]。但是，由于變壓器漏感的存在，反激變換器在開關(guān)管關(guān)斷時，會產(chǎn)生很大的尖峰電壓，使開關(guān)管漏源極兩端承受較高的電壓應(yīng)力，甚至導(dǎo)致開關(guān)管被擊穿[3-6]。為了確保反激變換器的安全可靠工作，需要減小變壓器的漏感，或者設(shè)計合適的箝位電路吸收漏感中的能量。箝位電路一般分為有源型[7-8]和無源型[8-9]，其中無源箝位電路因不需控制和驅(qū)動電路而被廣泛應(yīng)用。RCD箝位電路作為一種無源損耗型箝位電路，因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低而在實際工程中廣泛應(yīng)用[10-11]。

文獻(xiàn)[12-13]分析了變壓器寄生參數(shù)對變換器性能的影響，指出了變壓器寄生參數(shù)的大小與繞組結(jié)構(gòu)及繞組布局有很大關(guān)系，提出了優(yōu)化繞制方法以及增大繞組寬度等措施，從而抑制漏感電壓尖峰；文獻(xiàn)[14-15]對反饋電壓產(chǎn)生的回饋能耗進(jìn)行分析，得出RCD箝位電路吸收的能量由原邊漏感能量和副邊反射電壓產(chǎn)生的回饋能量構(gòu)成；文獻(xiàn)[16]建立了功率二極管模型，提出了二極管關(guān)斷損耗和反向恢復(fù)電荷計算的分析方法。目前對RCD箝位電路的參數(shù)設(shè)計方法大多只考慮原邊漏感及開關(guān)寄生電容，未考慮副邊漏感及箝位二極管特性的影響，實驗研究表明采用現(xiàn)有文獻(xiàn)提供的RCD箝位電路參數(shù)設(shè)計方法，實測結(jié)果與理論計算仍存在一定差距。

為了更加準(zhǔn)確地設(shè)計RCD箝位電路，針對反激變換器斷續(xù)模式下的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過仿真和實驗對修正后的設(shè)計方法進(jìn)行了驗證，對比分析了修正前和修正后的理論及實驗結(jié)果。

1 RCD箝位電路的工作原理

帶有RCD箝位電路的反激變換器基本電路及其工作波形如圖1所示，圖1（a）中電阻R、電容C和二極管D構(gòu)成了箝位電路。為便于分析箝位電路工作過程，暫不考慮副邊漏感和二極管特性的影響，變換器工作在電流斷續(xù)模式時的工作波形如圖1（b）所示。

圖1 RCD箝位反激變換器Fig.1 Flyback converter with RCD clamp circuit

由圖1（b）可見，斷續(xù)模式下RCD箝位反激變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)工作過程可分成7個階段，等效電路如圖2所示。

（1）t0～t1階段。 開關(guān)管 Q 導(dǎo)通，輸入電壓 Vin加在變壓器原邊，原邊電流i1線性上升，勵磁電感和漏感存儲能量。直到t1時刻，開關(guān)管Q關(guān)斷，i1增加到最大值Imp，此階段一次側(cè)的等效電路如圖2（a）所示。

（2） t1～t2階段。t1時刻開關(guān)管 Q 關(guān)斷，勵磁電感Lm和漏感Lp與寄生電容Cds諧振，由于勵磁電感Lm較大而寄生電容Cds很小，可以看作是對寄生電容近似恒流充電 （i1=Imp不變），VDS快速上升，直到t2時刻，VDS上升到Vin+Vf（Vf為變壓器副邊電壓折合到原邊后的反射電壓）。此階段一次側(cè)的等效電路如圖2（b）所示，箝位電容C通過箝位電阻R釋放能量。

（3） t2～t3階段。 t2時刻，VDS上升到 Vin+Vf后，副邊整流二極管Do開始導(dǎo)通，勵磁電感向負(fù)載傳輸能量，勵磁電感電壓被反射電壓箝位為Vf=nVo（n為變壓器原副邊匝比），此時漏感與寄生電容諧振，漏感電流向寄生電容Cds充電，直到t3時刻，VDS上升到Vin+VCL（VCL為箝位電容電壓在一個周期內(nèi)的最小值）。此階段一次側(cè)的等效電路如圖2（c）所示，箝位電容C通過箝位電阻R釋放能量。

t2～t3階段持續(xù)時間為

t3時刻原邊電流為

（4）t3～t4階段。 t3時刻，VDS上升到 Vin+VcL，箝位二極管D導(dǎo)通，勵磁電感和漏感被箝位電容電壓箝位。由于箝位電容C遠(yuǎn)大于寄生電容Cds，可認(rèn)為該階段漏感與箝位電容諧振，漏感能量轉(zhuǎn)移到箝位電容C中，t4時刻漏感電流減為0，箝位電容電壓為VCH（VCH為箝位電容電壓在一個周期內(nèi)的最大值），該階段結(jié)束。此階段一次側(cè)的等效電路如圖2（d）所示。此階段原邊電流為

t3～t4階段持續(xù)時間為

（5） t4～t5階段。 t4時刻，二極管 D 關(guān)斷，勵磁電感繼續(xù)向副邊傳遞能量并被反射電壓箝位。此時，寄生電容Cds向變壓器原邊漏感Lp放電而進(jìn)行諧振，直到t5時刻，諧振結(jié)束，漏源極電壓VDS穩(wěn)定在Vin+Vf。此階段一次側(cè)的等效電路如圖2（c）所示。

（6） t5～t6階段。 t5時刻，諧振結(jié)束，勵磁電感繼續(xù)向副邊傳遞能量直到t6時刻勵磁電流為零而反射電壓箝位消失，副邊整流二極管關(guān)斷。此階段一次側(cè)的等效電路如圖2（e）所示。

（7）t6～t7階段。t6時刻寄生電容向勵磁電感Lm和漏感Lp放電而進(jìn)行諧振。此階段一次側(cè)的等效電路如圖 2（b）所示。

圖2 RCD箝位電路各階段工作過程Fig.2 Working process of RCD clamp circuit in different stages

2 RCD箝位電路設(shè)計

暫不考慮RCD箝位電路中二極管D的實際特性和副邊漏感，RCD箝位電路參數(shù)的設(shè)計如下。

2.1 確定箝位電容電壓VC

從斷續(xù)模式下反激變換器一個周期內(nèi)的7個工作階段可見，開關(guān)管在一個周期內(nèi)所承受的最大電壓為Vin+VC，所以箝位電容電壓的選取直接影響了開關(guān)管所承受電壓應(yīng)力的大小。為了保證開關(guān)管電壓安全并使箝位電路吸收更少的能量，箝位電容電壓VC的最小值應(yīng)大于反射電壓nVo，否則RCD箝位電路將成為負(fù)載較大的一路輸出，導(dǎo)致變換器的效率降低。所以箝位電容電壓VC應(yīng)滿足

式中：VDSS為開關(guān)管漏源極擊穿電壓；Vin_max為最大輸入電壓；VC_min和VC_max分別為VC的最小和最大電壓。

由式（4）可知，VC越大箝位二極管D導(dǎo)通的時間越短，所吸收的反射電壓的回饋能量就越小，故VC的取值越大反激變換器的效率就越高。在實際工程中，一般選取VC的最大值為

2.2 確定箝位電阻R

從圖 1（b）可知，RCD 箝位電路只在 t3～t4階段吸收漏感中能量，其余階段箝位電容C通過R消耗能量。在不考慮箝位二極管實際特性的情況下，穩(wěn)態(tài)時箝位電阻R消耗的能量等于箝位電路所吸收的能量。則在t3～t4期間，RCD電路在一個周期所吸收的能量為漏感中的能量和反射電壓的回饋能量之和，故RCD電路吸收的功率PS為

箝位電阻R在一個周期內(nèi)消耗的功率PLOSS為

則箝位電阻R為

由式（9）可得箝位電容電壓VC為

2.3 確定箝位電容C

當(dāng)輸入電壓不變時，箝位電容電壓的最大值決定了開關(guān)管上的電壓最大值。在實際選取中電容C的容值較大，其電壓值VC僅在一個很小的范圍內(nèi)波動，可以認(rèn)為在穩(wěn)態(tài)時基本不變。箝位電容可根據(jù)紋波電壓大小確定為

式中：Vpp為電容電壓紋波；λ為電壓紋波系數(shù)。

3 RCD參數(shù)修正

3.1 副邊漏感的影響

在第1、第2節(jié)的分析中，忽略了副邊漏感對RCD箝位電路的影響。當(dāng)副邊漏感較大時，其對開關(guān)管漏源極電壓尖峰的影響是不可忽略的?？紤]了副邊漏感并將副邊折合到原邊后的反激變換等效電路如圖3所示。

圖3 考慮副邊漏感的反激變換等效電路Fig.3 The equivalent circuit of Flyback converter with secondary leakage inductance

在t2～t4階段，即從開關(guān)管兩端電壓為Vin+Vf開始到開關(guān)管兩端電壓為Vin+VCH這段時間，原副邊電流滿足等式

若不考慮原副邊漏感，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，原邊電流i1即刻降為0，激磁電感向負(fù)載供電；若只考慮原邊漏感，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，原邊漏感會即刻阻礙原邊電流i1減小，故原邊電流i1不會即刻降為0，原邊電流i1需要續(xù)流回路而流經(jīng)RCD箝位電路；若只考慮副邊漏感，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，副邊漏感會即刻阻礙副邊電流i2增加，故原邊電流i1不會即刻降為0，原邊電流i1需要續(xù)流回路而流經(jīng)RCD箝位電路?？梢姼边吢└信c原邊漏感一樣，對RCD箝位電路有影響。若同時考慮原副邊漏感，則可以得到等效的原邊漏感為

將式（13）中的 LLP替換式（7）、式（9）、式（10）中的LP，則得到修正后的RCD電路設(shè)計參數(shù)為

3.2 RCD中二極管的影響

前面分析中忽略了二極管的實際特性，實際上二極管開關(guān)特性的好壞決定了RCD箝位電路的參數(shù)選取的合理性。

3.2.1 二極管正向恢復(fù)特性的影響

在RCD箝位電路二極管的正向?qū)ㄟ^程中，一部分漏感電流會繼續(xù)對寄生電容Cds充電，從而使Vds的電壓大于Vin+VCH，出現(xiàn)一段電壓尖峰Vxm，其大小與二極管的正向恢復(fù)過程有關(guān)。在正向恢復(fù)過程中二極管的損耗PDon為

式中：IF為二極管正向電流；VFR為二極管正向恢復(fù)最大電壓；VF為二極管導(dǎo)通壓降；tfr為二極管正向恢復(fù)時間。

3.2.2 二極管反向恢復(fù)特性的影響

由于反向恢復(fù)的存在，箝位電容會在反向恢復(fù)時間內(nèi)向漏感放電，其中一部分能量消耗在二極管上，一部分消耗在線路中的寄生電阻上，從而使箝位電容電壓降低。則二極管的反向恢復(fù)損耗PDoff為

式中，Qrr為二極管反向恢復(fù)電荷。二極管的導(dǎo)通損耗PDcond為

由于二極管的損耗是RCD箝位電路所吸收的能量的一部分，則第3節(jié)中箝位電阻R消耗的功率P′LOSS可修正為

考慮二極管的損耗，則RCD箝位電路中箝位電阻R可修正為

4 仿真和實驗結(jié)果分析

制作了1臺30 W反激變換器實驗樣機(jī)，對RCD箝位電路的參數(shù)設(shè)計方法進(jìn)行仿真和實驗驗證。實驗中箝位二極管D為新型SiC器件C3D01060，其損耗較小，故RCD參數(shù)設(shè)計時暫忽略其損耗。當(dāng)輸入電壓為最大值350 V時，根據(jù)文中提出的設(shè)計方法，首先根據(jù)式 （5）確定箝位電容電壓VC的范圍為80～280 V，結(jié)合式（6）并考慮箝位二極管正向恢復(fù)特性的影響，取箝位電容電壓VC為262 V；然后根據(jù)式（14）計算出箝位電阻R為56 kΩ，根據(jù)式（11）計算出箝位電容C為15 nF（紋波系數(shù)λ取為0.9%）。表1列出了RCD箝位的反激變換器的實驗參數(shù)。

表1 實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

4.1 仿真結(jié)果與分析

利用仿真軟件Saber/Sketch，搭建一個30 W RCD箝位反激變換器仿真模型。箝位二極管D選為理想二極管，箝位電容電壓選取為262 V，箝位電阻取56 kΩ，其他參數(shù)如表1所示。當(dāng)輸入電壓Vin為最大值350 V時，仿真得到的箝位電容電壓波形和開關(guān)管漏源極兩端電壓波形分別如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，箝位電容電壓的有效值約為261 V，略小于理論值262 V，說明了所提出的參數(shù)修正后的設(shè)計方法是可行的。另外箝位電容電壓的峰峰值為Vpp=2.4 V≈λVC，這也和理論分析是一致的。從圖5可以看出，開關(guān)管漏源極電壓尖峰值為612 V，與理論值（Vin+VC）一致，開關(guān)管工作在正常電壓范圍，證明了修正設(shè)計方法是可行的。

圖4 箝位電容電壓波形Fig.4 Voltage waveform of the clamp capacitor

圖5 開關(guān)管漏源極電壓波形Fig.5 Drain-source voltage waveform of switch tube

4.2 實驗結(jié)果與分析

4.2.1 RCD參數(shù)修正方法的驗證

圖6 為輸入電壓為其最大值350 V時，箝位電容電壓波形和開關(guān)管漏源極電壓波形。

按原有文獻(xiàn)設(shè)計方法，當(dāng)箝位電阻取56 kΩ時，根據(jù)式（14）得箝位電容電壓為195 V。從圖6可見箝位電容電壓的有效值約為224 V，該值大于不考慮副邊漏感時箝位電容電壓值195 V，證明了在設(shè)計RCD參數(shù)時副邊漏感不可忽略的。由于忽略了二極管的損耗等，其值小于修正后的理論值262 V。開關(guān)管漏源極電壓尖峰約為624 V，其值小于開關(guān)管額定電壓值，有效地保證了變換器的正常工作。

圖6 箝位電容電壓和開關(guān)管漏源極電壓波形Fig.6 Voltage waveform of the clamp capacitor and drain-source of switch tube

為了進(jìn)一步驗證所提出的RCD參數(shù)修正設(shè)計方法的有效性和可行性，對RCD參數(shù)修正前后的實驗結(jié)果進(jìn)行對比。為了避免箝位電容電壓過大造成開關(guān)管漏源極電壓超過額定值，根據(jù)式（5）和式（6）設(shè)定箝位電容電壓為203 V。RCD參數(shù)修正前，根據(jù)式（9）可得箝位電阻為60 kΩ，RCD參數(shù)修正后，由式（14）可得箝位電阻為28 kΩ，圖7為RCD參數(shù)修正前后的箝位電容電壓和開關(guān)管漏源極電壓波形。

圖7 RCD參數(shù)修正前后箝位電容電壓和開關(guān)管漏源極電壓波形Fig.7 The experimental waveforms comparison between before and after the RCD parameters modified

從圖7可知，修正前箝位電容電壓約為226 V，大于設(shè)定值203 V，可見按照原有設(shè)計方法選取參數(shù)時，由于忽略了副邊漏感的影響，箝位電阻值選取偏大，從而造成箝位電容電壓偏高，嚴(yán)重時可造成開關(guān)管過電壓擊穿，此時開關(guān)管漏源極電壓尖峰已達(dá)到了630 V。修正后箝位電容電壓約為182 V，其值稍小于設(shè)定值，當(dāng)考慮箝位二極管的損耗后，修正后的箝位電容電壓將更接近于設(shè)定值。

4.2.2 箝位二極管對RCD電路的影響

1）箝位二極管正向恢復(fù)特性的影響

以輸入電壓為200 V，箝位電容電壓為224 V為例，二極管為C3D01060，開關(guān)管漏源極電壓實驗波形如圖8所示。

圖8 開關(guān)管漏源極電壓Vds波形Fig.8 Drain-source voltage waveform of switch tube

從圖8可以看出，開關(guān)管漏源極電壓在開關(guān)管關(guān)斷時，有一段由于二極管正向恢復(fù)而產(chǎn)生的電壓尖峰，大小約為50 V。故設(shè)計RCD電路時，由正向恢復(fù)而產(chǎn)生的尖峰電壓也是要考慮的，確保開關(guān)管有一定的電壓裕量而不被擊穿。

2）箝位二極管反向恢復(fù)特性的影響

在二極管的損耗中，由于反向恢復(fù)而引起的損耗占很大部分。實驗利用紅外熱成像儀Fluke Ti32對3種具有不同反向恢復(fù)時間的二極管進(jìn)行溫度測試，環(huán)境溫度為16.8℃，箝位電阻R取56 kΩ。表2為不同二極管下測得的箝位電容電壓值和溫升實驗結(jié)果。

表2 不同二極管下RCD箝位電路的實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of RCD clamp circuit using different diodes

根據(jù)式（14），不考慮二極管實際特性時，箝位電容電壓VC的理論計算值為262 V。FR107的反向恢復(fù)時間最長，損耗最為嚴(yán)重，溫升達(dá)到了54.2℃，此時箝位電容電壓VC為134 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計算值262 V，計算誤差達(dá)到了48.9%。UF4007的反向恢復(fù)時間較FR107小很多，二極管損耗明顯減小，二極管溫升為32.4℃，箝位電容電壓為166 V，計算誤差為36.6%，理論計算值和實驗值仍然相差很大。C3D01060為SiC二極管，幾乎不考慮反向恢復(fù)特性，二極管損耗較小，溫升只有14.2℃，此時箝位電容電壓VC為224 V，計算誤差僅為14.5%?？梢姸O管的反向恢復(fù)特性對箝位電容電壓VC影響很大。所以在選擇二極管時，應(yīng)選擇反向恢復(fù)時間較小的二極管，從而使理論計算值接近實驗值。

4.2.3 參數(shù)修正后RCD對反激變換器效率的影響

以輸入電壓為200 V，滿載時將箝位電容電壓VC設(shè)定為262 V為例，RCD參數(shù)修正前后，分別根據(jù)式（9）、式（14）可得箝位電阻為 120 kΩ 和 56 kΩ。RCD參數(shù)修正前后，箝位二極管分別使用FR107、C3D01060。表3列出了不同負(fù)載下RCD參數(shù)修正前后RCD的損耗和反激變換器的效率η。

表3 RCD參數(shù)修正前后對比Tab.3 Experimental results comparison between before and after RCD parameters modified

從表3可以看出，RCD參數(shù)修正后，箝位電路的損耗減小，反激變換器的效率在不同的負(fù)載下均有明顯提高，有效驗證了RCD參數(shù)修正方法的正確性。

5 結(jié)論

（1）在反激變換器的開關(guān)管關(guān)斷期間，副邊漏感同原邊漏感的作用一樣，可表述為阻礙原邊電流的減小，并據(jù)此得到了原邊等效漏感的表達(dá)式；

（2）二極管的正向恢復(fù)特性致使開關(guān)管在關(guān)斷時產(chǎn)生了電壓尖峰Vxm，設(shè)定箝位電容電壓時需考慮此電壓尖峰裕量；同時二極管產(chǎn)生功率損耗，致使箝位電容電壓降低，故在設(shè)計RCD電路參數(shù)時，還應(yīng)考慮二極管的損耗；

（3）綜合考慮副邊漏感和二極管實際特性，給出了修正后RCD參數(shù)設(shè)計方法，并通過仿真和實驗驗證了其正確性。

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