反激變換器中吸收電路的設(shè)計

代興華，鄭麗婷，趙瑞杰，田素立，王海明

（許繼集團(tuán)有限公司 河南 許昌　461000）

反激變換器中吸收電路的設(shè)計

代興華，鄭麗婷，趙瑞杰，田素立，王海明

（許繼集團(tuán)有限公司 河南 許昌461000）

本文針對模塊電源的發(fā)展趨勢和有源箝位電路的工作原理，研究了一種采用磁放大技術(shù)和固定伏特秒控制技術(shù)的有源箝位反激軟開關(guān)電路，對該電路的工作過程進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款48W的電源樣機(jī)。經(jīng)過測試，驗證了該理論分析的正確性，在整個負(fù)載范圍內(nèi)完全實現(xiàn)了主開關(guān)管和箝位電路的軟開關(guān)變換，軟開關(guān)實現(xiàn)的條件不依賴于變壓器的參數(shù)。在采用肖特基二極管整流的情況下，滿載輸出的轉(zhuǎn)換效率在89%以上。

有源箝位；反激變換器；磁放大器；固定伏秒值

反激式變換器具有電路簡單、成本低、可靠性高，易于實現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點，在中、小功率的電源中應(yīng)用非常廣泛。但是，由于變壓器漏感的存在及其它分布參數(shù)的影響，反激式變換器在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生高頻振蕩的尖峰電壓［1］，這個尖峰電壓不僅嚴(yán)重威脅著開關(guān)管的正常工作，同時帶來嚴(yán)重的電磁干擾問題，因此必須采取相應(yīng)的措施對其進(jìn)行抑制。

目前，主要的措施有3種，分別是減小變壓器的漏感、增加吸收或者箝位電路、通過諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)開關(guān)管軟關(guān)斷［2］。通過改進(jìn)變壓器的繞制工藝，只能有限度的降低變壓器漏感，不可能完全消除。增加諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟開關(guān)的方式［3］，不僅成本增加，而且電路也變得復(fù)雜，使反激變換器原有的優(yōu)勢喪失殆盡。

本文對比了RC吸收電路、RCD箝位電路和雙二極管箝位電路的原理和應(yīng)用特點，詳細(xì)說明了RCD箝位電路的設(shè)計方法，通過相應(yīng)的試驗進(jìn)行了驗證。電路，同時變壓器還兼做儲能電感使用［4］。當(dāng)開關(guān)管開通時，能量以磁能的方式儲存在變壓器中；在開關(guān)管關(guān)斷時，能量傳輸?shù)礁边?。圖1為反激變換器主回路原理圖，其中Lm為變壓器原邊的勵磁電感，LK為變壓器原邊漏感，COSS為開關(guān)管Q1的結(jié)電容，變壓器的變比為n：1。

1　吸收電路的工作原理

圖1　反激變換器的電路原理圖Fig.1　The principle diagram of flyback converter circuit

1.1反激變換器的工作原理

反激變換器可以看做是一個帶隔離變壓器的buck-boost

圖2為反激變換器工作在連續(xù)模式下的電流電壓波形。MOS管Q1關(guān)斷時，變壓器原邊電流id給COSS充電。當(dāng)Vds超過Vin+nVo時，輸出二極管D1導(dǎo)通，勵磁電感Lm上的電壓箝位到nVo，漏感LK和電容COSS開始諧振，如圖2所示。由此造成的電壓過沖會擊穿MOS管，過高的dv/dt會帶來嚴(yán)重的電磁干擾［5］，必須采取相應(yīng)的措施進(jìn)行抑制。

圖2　連續(xù)工作模式下的波形Fig.2　The waveform of continuous working mode

1.2RC吸收電路

RC吸收電路如圖1所示，RC型吸收電路并聯(lián)在MOS管兩端，MOS管Q1關(guān)斷瞬間，電容C4可以近似看作短路，電阻R4可以有效地抑制漏感LK和電容COSS之間的諧振；諧振結(jié)束后，電容C4上電壓等于Vds，無電流流過RC吸收回路。在MOS管Q1導(dǎo)通瞬間，電容C4通過電阻R4和MOS管Q1放電。電阻損耗可以用下式表示；

其中Vds-max為MOS管關(guān)斷時的尖峰電壓。

不過在大多數(shù)的應(yīng)用中，RC回路不足以把Vds限制在安全的范圍內(nèi)，因此需要和其它的箝位電路配合使用。

1.3雙二極管箝位電路

雙二極管箝位電路如圖1所示，由快恢復(fù)二極管D3和TVS管Z3串聯(lián)而成。該箝位方式相對于RC和RCD電路，具有一個明顯的優(yōu)點：箝位電壓在全負(fù)載范圍內(nèi)為一個定值，在輕載運行時，比RC和RCD電路的效率高。但是該電路受元器件性能的影響，損耗受限，使用中不夠靈活，只能用于小功率電源中。

1.4RCD箝位電路

1.4.1工作原理

RCD箝位電路如圖1所示。在Q1關(guān)斷時，箝位電路用于吸收變壓器漏感LK中的能量，該能量最終由電阻R2消耗掉。假定箝位電容C2足夠大，電源達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，電容C2上的電壓為恒定值［6］。

如圖3所示，采用RCD箝位的反激變換器在連續(xù)工作模式下的關(guān)鍵波形。

Q1關(guān)斷后，Vds諧振至Vin+VRCD時，如圖3所示，二極管D2導(dǎo)通，Vds被箝位。RCD回路的電流變化率可以用是式（2）表示，D2導(dǎo)通的時間可以用式（3）表示。

其中ipeak為變壓器原邊峰值電流。

圖3　連續(xù)模式下，采用RCD箝位的反激變換器關(guān)鍵波形Fig.3　The key waveform of using RCD clamped flyback converter in continuous working mode

1.4.2設(shè)計方法

第一步，采用和電源同頻率的激磁信號，測量變壓器原邊漏感，這是設(shè)計RCD箝位電路的關(guān)鍵。對于RDC電路，我們關(guān)心的是漏感中儲存多少能量，而LK和COSS諧振的頻率無關(guān)緊要。

第二步，確定箝位電壓。根據(jù)實踐經(jīng)驗，最大負(fù)載，最低輸入電壓下的VRCD取2～2.5倍的nVo，負(fù)載較輕時取2，負(fù)載較重時取2.5。但是VRCD+Vin不能超過0.85VDSS。

如果電源的開關(guān)管Q1已經(jīng)選定，可以根據(jù)Q1的VDSS值，來選擇合適的箝位電壓。

其中，VDSS為開關(guān)管的漏源極擊穿電壓。

第三步，確定箝位電阻。VRCD確定了以后，RCD箝位電路在最大負(fù)載最低輸入電壓下的損耗為：

其中，fs為電源的開關(guān)頻率。從公式（4）可以看出VRCD越小，RCD回路的損耗越大。

電阻R2上的損耗為/R2。根據(jù)能量守恒原則，可得：

第四步，確定箝位電容。箝位電容C2上的最大紋波電壓為：

第五步，其它重要變量的計算。電源工作在連續(xù)模式時，原邊峰值電流和箝位電壓隨著輸入電壓的增大而減小。

RCD電路在最大負(fù)載、最大輸入電壓下的箝位電壓為：連續(xù)模式下，最大負(fù)載，最大輸入電壓下：

通常穩(wěn)態(tài)情況下，Vds不應(yīng)超過0.85VDSS；暫態(tài)情況下，Vds不應(yīng)超過0.9VDSS。斷續(xù)模式下，最大負(fù)載，最大輸入電壓下：

2　試　驗

將上面的設(shè)計方法應(yīng)用到了一款48W的反激式變換器的箝位網(wǎng)絡(luò)設(shè)計當(dāng)中，取得了良好的效果。電源參數(shù)如下；

輸入電壓Vin：AC85V～264V；

輸出電壓VO：DC24V/2A。

在變換器中，開關(guān)管選用VDSS為750 V的MOSFET，開關(guān)頻率定位100 kHz，反饋電壓定位120 V。

利用公式，可計算出初級最大峰值電流為ipeak=1.52 A，初級電感量為LP=280 μH，實測變壓器漏感為LK=6.2 μH。

通過以上已知量，可以算得

實際中取R2為3個150 kΩ/2 W的功率電阻并聯(lián)，C2為2 200 pF/1 kV瓷片電容，通過實測各種情況下開關(guān)管漏極波形，箝位效果良好，電源正常工作，各項參數(shù)滿足設(shè)計要求。

3　結(jié)　論

本文針對模塊開關(guān)電源的發(fā)展趨勢以及有源箝位電路的工作原理，研究了一種采用磁放大穩(wěn)壓技術(shù)的有源箝位反激軟開關(guān)電路，并進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。經(jīng)過樣機(jī)實驗，驗證了該理論分析的正確性，完全實現(xiàn)了主開關(guān)管和箝位電路的軟開關(guān)變換，并且不依賴于變壓器的設(shè)計，滿載輸出的轉(zhuǎn)換效率在89%以上。理論分析和實驗結(jié)果吻合，證明了本文研究的正確性。

［1］胡江毅.反激變換器的應(yīng)用研究 ［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2003.

［2］林周布，張文雄，林元尊.反激型開關(guān)電源的軟緩沖技術(shù)［J］.電力電子技術(shù)，2011，35（3）：24-26，50.

［3］樊永隆.反激式變換器中RCD箝位電路的設(shè)計 ［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（12）：47-49.

［4］張?zhí)m紅，陳道煉.反激變換器不同工作模式時的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，15（4）：5-8.

［5］夏澤中，李文.整流橋開關(guān)過電壓的保護(hù)方法［J］.電力電子技術(shù)，2007，41（11）：88-91.

［6］宋鑫，馬小平，牛潔如.RCD箝位反激變換器的研究［J］.工礦自動化，2010（11）：47-51.

Design of absorbing circuit in flyback converter

DAI Xing-hua，ZHENG Li-ting，ZHAO Rui-jie，TIAN Su-li，WANG Hai-ming （XJ Group Corporation，Xuchang 461000，China）

According to the development trend of the module power supplies and the working principle of active clamping circuit，the paper studied one kind of active clamp flyback soft switching circuit which employs magnetic amplification technology and fixed volts seconds control technology，and detailed theoretical analysis of the working process of the electric circuit is made in the paper.On the basis of theoretical analysis，a 48W power prototype is designed.After tests，the theoretical analysis is verified correct.In the whole load range，soft switch transform between the main switch tube and RCD clamped circuit is completely realized，and soft switch realization conditions is not dependent on transformer parameters.In using the schottky diodes rectifier，the conversion efficiency in full load is 89%above.

active-clamp；flyback converter；magnetic amplifier；fixed volt second

TN86

A

1674－6236（2016）03-0118-03

2015-03-25稿件編號：201503344

代興華（1988—），男，河南許昌人，工程師。研究方向：電力電子變換技術(shù)。