反激變換器電流尖峰分析*

劉帥剛　聶　彥　馮則坤

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院　武漢　430074)

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反激變換器電流尖峰分析*

劉帥剛聶彥馮則坤

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢430074)

摘要反激變換器工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通瞬間存在較大的電流尖峰，這不僅增加了開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力，而且降低了電路的可靠性。通過(guò)建立等效電路模型進(jìn)行仿真，詳細(xì)分析了影響電流尖峰的幾個(gè)重要因素，并提出了相應(yīng)的抑制措施，為反激變換器的可靠性設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞反激變換器; 電流尖峰; 可靠性

Class NumberTM46

1引言

反激變換器是開(kāi)關(guān)電源的重要組成部分。近年來(lái)，隨著開(kāi)關(guān)電源的小型化、高頻化進(jìn)程，電路雜散參數(shù)及器件的非理想特性等因素對(duì)電源性能產(chǎn)生了很大影響[1～3]，如開(kāi)關(guān)管工作過(guò)程中的電壓、電流尖峰，嚴(yán)重降低了電路的可靠性。文獻(xiàn)[4～6]提出了兩種變壓器高頻模型，并分析了變壓器分布電容對(duì)反激變換器的影響；文獻(xiàn)[7～10]提出了幾種功率MOS管模型，且分析了寄生參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻的影響。但是，這些研究工作均沒(méi)有同時(shí)考慮變壓器和功率MOS管多種寄生參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬間電流尖峰的影響。本文通過(guò)建立電流尖峰分析的等效電路模型，運(yùn)用Saber仿真軟件，詳細(xì)討論了影響反激變換器電流尖峰的幾個(gè)因素，得到了一些有用的結(jié)論，并提出了有效的抑制措施。

2電流尖峰的影響因素

2.1等效電路模型

圖1為電流尖峰分析的等效電路模型。

圖1　電流尖峰分析等效模型

其中，Llk、Lp、Cp分別為變壓器原邊的漏感、激磁電感和分布電容，Cgd與Cds分別為開(kāi)關(guān)管柵漏極和漏源極寄生電容；Lz為原邊回路的雜散電感；Vg與Rd分別為驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電阻；N為變壓器匝比，VD為副邊整流二極管。

2.2影響因素分析

圖2是連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下，開(kāi)關(guān)管VS工作在截止、開(kāi)通、導(dǎo)通、關(guān)斷四個(gè)階段的等效電路，其中Rds為VS的通態(tài)電阻。

圖2　開(kāi)關(guān)管各工作階段等效電路

1) 截止階段:當(dāng)VS截止時(shí)，副邊VD導(dǎo)通，變壓器去磁，此時(shí)Cp電壓被副邊箝位在(NUo)，極性上負(fù)下正；VS截止期間，Cds被充電至(Vin+NUo)，極性上正下負(fù)；此間，Cgd也被充電，電壓極性左負(fù)右正。

2) 開(kāi)通階段:當(dāng)VS開(kāi)通時(shí)，副邊線圈電壓不再被箝位至Uo，原邊Cp上電壓也不再被箝位，Cp通過(guò)Lz，VS，Uin諧振放電，形成流過(guò)VS的電流尖峰；同時(shí)副邊VD開(kāi)始反向關(guān)斷，形成反向恢復(fù)電流ir，ir經(jīng)變壓器耦合到原邊，也形成流過(guò)原邊電感，VS，Uin的電流尖峰；VS開(kāi)通階段，Cds經(jīng)過(guò)VS放電，形成流過(guò)VS的電流尖峰；同時(shí)Cgd經(jīng)過(guò)VS，Vg，Rd放電，也形成流過(guò)VS的電流尖峰。

3) 導(dǎo)通階段:當(dāng)VS導(dǎo)通時(shí)，副邊VD截止，Cp被充電至Uin，極性上正下負(fù)。導(dǎo)通期間，Lp被激磁，儲(chǔ)存能量。

4) 關(guān)斷階段:當(dāng)VS關(guān)斷時(shí)，Lp，Llk分別與Cds諧振，Cds被充電。之后副邊VD開(kāi)始導(dǎo)通，Cp電壓被副邊箝位，極性上負(fù)下正，電路進(jìn)入截止階段，開(kāi)始下一周期的工作。

若電路工作在斷續(xù)模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)時(shí)，VS導(dǎo)通、關(guān)斷階段分析與CCM模式類似。截止期間因?yàn)楦边吶ゴ磐瓿?，VD截止，所以開(kāi)通階段沒(méi)有反向恢復(fù)電流耦合到原邊形成流經(jīng)VS的電流尖峰。

3電流尖峰的仿真結(jié)果與討論

在Saber Sketch仿真環(huán)境下，對(duì)圖1所示的電路模型進(jìn)行仿真。其中輸入電壓為24V，輸出電壓為5V(2A)；驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值為16V，頻率為200KHz，占空比為0.4，上升沿為40ns；電路工作在CCM模式下。

圖3是當(dāng)VD，Cds及驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變時(shí)，流經(jīng)VS的電流尖峰在兩個(gè)不同Cp典型值下的仿真結(jié)果。圖4是電流尖峰隨原邊分布電容的變化曲線。當(dāng)VS開(kāi)通階段時(shí)，Cp通過(guò)Lz諧振放電，且Cp越大，VS截止階段其儲(chǔ)存的能量就越大，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通階段諧振的能量也越大，最后導(dǎo)致電路越大的電流尖峰。因此，在電路優(yōu)化時(shí)，改善電流尖峰的重要原則就是選擇較小的原邊分布電容Cp。

圖4　電流尖峰隨Cp變化曲線

在變壓器的設(shè)計(jì)中，原邊分布電容Cp的大小與原邊線圈的繞制方法有關(guān)。因此，為抑制電流尖峰，要盡可能選擇分布電容小的繞制方法。2層線圈有C型、Z型、兩段式、累進(jìn)式等四種典型繞法，且分布電容由大到小，因此采用累進(jìn)式繞法引起的電流尖峰相對(duì)較小[6]；三層線圈有C型、Z型、多段式等三種典型繞法，其分布電容依次減小，故采用多段式繞法引起的電流尖峰相對(duì)較小[11～12]。

圖5是Cds，Cp及驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變時(shí)，電流尖峰隨VD反向恢復(fù)特性的變化曲線。仿真過(guò)程中，將電容和理想二極管并聯(lián)，通過(guò)改變并聯(lián)電容值，模擬二極管截止前的放電特性。若電路工作在CCM模式下，當(dāng)VS開(kāi)通階段時(shí)，VD開(kāi)始反向關(guān)斷，其反向電流ir耦合到原邊，流經(jīng)原邊電感、VS、Uin形成電流回路。并且VD的反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，耦合到原邊的電流就越大，從而導(dǎo)致電路出現(xiàn)更大的電流尖峰。因此，在電路優(yōu)化時(shí)，抑制電流尖峰的重要措施就是選擇反向恢復(fù)時(shí)間小的二極管。

圖5　電流尖峰隨VD特性變化曲線

圖6是Cp，VD及驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變時(shí)，電流尖峰隨Cds的變化曲線。當(dāng)VS截止期間，Cds被充電，且Cds越大，截止期間儲(chǔ)存的能量越大。從而，當(dāng)VS導(dǎo)通時(shí)，Cds通過(guò)VS放電形成的電流尖峰就越大，最終使電路出現(xiàn)更加尖銳的電流尖峰。因此，在電路優(yōu)化時(shí)，避免出現(xiàn)過(guò)大電流尖峰的另一個(gè)重要方法是，在同等條件下，盡可能選擇Cds較小的開(kāi)關(guān)管。

圖6　電流尖峰隨Cds變化曲線

圖7是Cp、VD及Cds不變時(shí)，電流尖峰隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)特性的變化曲線。當(dāng)VS工作在截止期間，Cgd被充電；而在VS導(dǎo)通時(shí)，Cgd將通過(guò)VS，Vg形成放電回路，故驅(qū)動(dòng)電路的特性會(huì)影響其放電過(guò)程。所以，在反激變換器設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)管選定后，若驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值相同，其上升沿時(shí)間越長(zhǎng)，放電形成的電流尖峰將越大。因此，在電路優(yōu)化時(shí)，選擇較小上升沿的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是抑制電流尖峰的一種方式。

圖7　電流尖峰隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vg變化曲線

進(jìn)一步分析上述的電路仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):原邊分布電容Cp，二極管VD的反向恢復(fù)時(shí)間，以及開(kāi)關(guān)管漏源極寄生電容和驅(qū)動(dòng)信號(hào)特性對(duì)電流尖峰的影響是不同的。Cp與VD對(duì)電流尖峰的影響較大，而Cds和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿對(duì)電流尖峰的影響相對(duì)較小。因此，在反激變換器設(shè)計(jì)中，若選用分布電容較小的變壓器線圈繞法，同時(shí)采用反向恢復(fù)時(shí)間短的整流二極管，再通過(guò)選擇漏源極寄生電容小的開(kāi)關(guān)管，以及上升沿小的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將能有效抑制電流尖峰，減小開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力，降低功耗，從而極大地改善電路特性。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電路的等效模型進(jìn)行模擬仿真，詳細(xì)分析了影響電流尖峰的幾個(gè)重要因素。仿真結(jié)果表明，影響反激變換器開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬間電流尖峰的因素有變壓器原邊的分布電容，副邊整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間以及開(kāi)關(guān)管的漏源極寄生電容和驅(qū)動(dòng)電路的特性。最后，本文針對(duì)影響電流尖峰的幾個(gè)重要因素，提出了一些有效的電路優(yōu)化措施。

參 考 文 獻(xiàn)

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Analysis of Current Spike in Flyback Converter

LIU ShuaigangNIE YanFENG Zekun

(School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074)

AbstractWhen the flyback converter is operating in high switching mode, high current spike will appear at the turn-on moment of the switch, which increases the current stress of the switch and reduces the reliability of the circuit. The equivalent circuit model is presented and simulation results show the main influencing factors of the current spike. Based on comprehensive analysis of those factors, suppression methods are put forward. This work provides a reference of the reliability design in the flyback converter.

Key Wordsflyback converter, current spike, reliability

* 收稿日期：2015年11月12日,修回日期：2015年12月13日

作者簡(jiǎn)介：劉帥剛，男，碩士研究生，研究方向：開(kāi)關(guān)電源。聶彥，女，博士，教授，研究方向：微波磁性功能材料及其應(yīng)用技術(shù)。馮則坤，男，博士，教授，研究方向：磁性材料與器件、磁應(yīng)用技術(shù)。

中圖分類號(hào)TM46

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.041