反激式開關(guān)電源開關(guān)管的電壓峰值限制

海 燕

(安徽能源技術(shù)學(xué)校 安徽·合肥 230000)

反激式開關(guān)電源開關(guān)管的電壓峰值限制

海 燕

(安徽能源技術(shù)學(xué)校 安徽·合肥 230000)

反激式開關(guān)電源的開關(guān)管電壓承受能力有限，本文在設(shè)計(jì)的反激開關(guān)電源的高頻變壓器原邊繞組側(cè)并聯(lián)使用了RDC吸收電路，并配置了吸收電容、放電電阻的參數(shù)。最后完成了開關(guān)電源在1.5倍額定負(fù)載工作下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了有RDC吸收回路與無(wú)RDC吸收回路的MOSFET芯片的漏-源電壓，RDC吸收回路確可降低開關(guān)管的電壓峰值。

反激;開關(guān)電源;電壓峰值;吸收回路

引言

開關(guān)電源的電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小，且具有寬電壓范圍的優(yōu)勢(shì)[1]。因此，現(xiàn)階段各類電子設(shè)備正常運(yùn)行都基于開關(guān)電源的供電。反激式開關(guān)電源基于反激式變換器拓?fù)?，是開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的其中一種，EMI性能好、電路簡(jiǎn)單是其優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)反激式開關(guān)電源中，經(jīng)常也會(huì)存在一些問(wèn)題，如開關(guān)電源輸出紋波較大、或元器件在運(yùn)行中損壞導(dǎo)致開關(guān)電源無(wú)法正常工作。開關(guān)電源的開關(guān)器件在由開通向關(guān)斷過(guò)渡的時(shí)刻，會(huì)承受市電整流后的母線電壓、高頻變壓的反沖電壓、和變壓器一次側(cè)漏感產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)三者之和，因此如若開關(guān)管承受電壓的能力不足，就可能會(huì)被高電壓損壞[2]。本文在設(shè)計(jì)的反激開關(guān)電源變壓器一次側(cè)并聯(lián)使用RDC吸收電路，開關(guān)器件采用的是集成MOSFET管的Top 267開關(guān)芯片，配置了RDC回路的吸收電容與放電電阻的參數(shù)，最后進(jìn)行了開關(guān)電源在1.5倍額定負(fù)載工作條件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)比分析了有無(wú)RDC吸收回路的開關(guān)漏源極電壓。

1 反激式開關(guān)電源原理分析

1.1 反激式開關(guān)電源整體架構(gòu)剖析

圖1所示為反激式開關(guān)電源原理圖，220V/50Hz的交流市電經(jīng)過(guò)濾波電路，再利用二極管不控整流橋?qū)⒔涣麟娮兂芍绷麟?。?qiáng)電濾波電路部分的作用是讓50Hz附近頻率的電信號(hào)通過(guò)，將頻率大于工頻的電信號(hào)濾除，以達(dá)到大幅降低電網(wǎng)噪聲的效果。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(Negative Temperatue Coefficient,NTC)電阻用以抑制上電浪涌電流。C1，C2為交流輸出側(cè)整流后的母線濾波電容，C1為濾波大電容，作用為穩(wěn)壓濾波，提升低頻段特性[3]；C2為濾波小電容，主要作用是濾除高頻噪聲。本系統(tǒng)使用的開關(guān)電源的開關(guān)器件是Top Switch系列的TOP 267開關(guān)芯片，其內(nèi)部集合了Mosfet開關(guān)管。T為多路隔離輸出的高頻變壓器，D1、D2、D3為每一路隔離輸出的整流二極管。C3和C4、C5和C6、C7和C8分別為每一路輸出的濾波電容，C3、C5、C7為穩(wěn)壓濾波大電容，C4、C6、C8為濾除高頻成分的小電容。每一路輸出都選取了相互隔離的參考地，可以減小各路之間的相互耦合干擾。圖1中的Vo輸出設(shè)置為多路輸出反激開關(guān)電源的主穩(wěn)回路，其通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)控制開關(guān)芯片的Mosfet開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，從而對(duì)Vo輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]，使其穩(wěn)定在輸出定值。

圖1 反激式開關(guān)電源原理圖

1.2 開關(guān)管承受的電壓峰值分析

圖2(a)所示為反激開關(guān)電源在開關(guān)管導(dǎo)通期間的簡(jiǎn)化等效電路，這里只分析一路輸出。開關(guān)管VT導(dǎo)通期間，變壓器輸出側(cè)輸出整流二極管承受反壓而截止，變壓器原邊母線電壓Vi經(jīng)導(dǎo)通的VT向變壓器勵(lì)磁電感儲(chǔ)能。導(dǎo)通的開關(guān)管相當(dāng)于導(dǎo)線，端電壓近似為0。圖2(b)為開關(guān)電源在開關(guān)管關(guān)斷期間的簡(jiǎn)化等效電路，關(guān)斷期間有兩個(gè)工作狀態(tài)，由變壓器二次側(cè)釋放的勵(lì)磁儲(chǔ)能處于釋放中狀態(tài)，另一個(gè)工作狀態(tài)是勵(lì)磁儲(chǔ)能釋放完畢后的狀態(tài)。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器勵(lì)磁電感儲(chǔ)存的能量的釋放體現(xiàn)于變壓器副邊等效電感生成感生電勢(shì)，從而使輸出整流二極管正向?qū)?。感生電?shì)為 ef，如式(1)所示，Lf為變壓器副邊等效電感，is為變壓器副邊電流，Vo為輸出電壓，VD為輸出整流二極管的正向?qū)▔航担2為輸出回路等效電阻產(chǎn)生的壓降。變壓器副邊等效電感產(chǎn)生的感生電勢(shì)在變壓器原邊作用在開關(guān)管的壓降為eY，如式(2)所示，n為變壓器變比，eY稱為反射電壓。開關(guān)管關(guān)斷期間，其最高壓降為VVTmax，即承受的電壓峰值，如式(3)所示，Vimax為母線的最大直流電壓，VL為開關(guān)管關(guān)斷時(shí)變壓器原邊漏感生成的電壓尖峰。

圖2 開關(guān)電源簡(jiǎn)化等效電路

2 RDC吸收回路分析

上面已分析了開關(guān)管在關(guān)斷時(shí)承受的電壓峰值為直流母線壓降、反射電壓、變壓器原邊漏感生成的電壓尖峰三者之和。如果開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間很短，那么變壓器原邊漏感生成的電壓尖峰將會(huì)很高，甚至?xí)哌_(dá)300V以上，那么開關(guān)管承受的電壓峰值也就很高，可能會(huì)對(duì)開關(guān)管器件帶來(lái)不可逆的破壞。

圖3 RDC吸收回路鉗位開關(guān)管電壓的開關(guān)電源簡(jiǎn)圖

RDC吸收回路可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的端電壓鉗位，RDC吸收回路鉗位開關(guān)管電壓的開關(guān)電源簡(jiǎn)圖如圖3所示，鉗位的原理是把變壓器原邊漏感的能量變換到吸收電容Cx中[5]，如式(4)表達(dá)所示，Ip為流過(guò)開關(guān)管的電流峰值，C為吸收電容的容值，V1與V2即為吸收電容鉗位前后吸收電容器的端電壓。反應(yīng)的是吸收電容器在鉗位前后的能量?jī)?chǔ)存變化。吸收電容在鉗位的過(guò)程，電容端電壓自然會(huì)隨之升高，吸收電容積累的電荷必須通過(guò)放電電阻RX泄放，這樣才能使吸收電容在下一個(gè)開關(guān)周期的開關(guān)管關(guān)斷起始階段，電壓降到鉗位前的電壓值，進(jìn)而才得以保證下一個(gè)開關(guān)周期鉗位電路才能起到作用。吸收電容的放電電阻值得選取要以降低損耗為目標(biāo)，阻值不可選得過(guò)小，最佳工作狀態(tài)是在開關(guān)管下一個(gè)開關(guān)周期的關(guān)斷起始階段把吸收電容的端電壓值釋放到變壓器的反射電壓值，可以通過(guò)式(5)計(jì)算放電電阻的阻值，T為開關(guān)周期，R、C分別為放電電阻阻值和吸收電容容值。并聯(lián)在吸收電容兩端的穩(wěn)壓二極管可起到保護(hù)作用，可限定吸收電容兩端電壓在一定范圍之內(nèi)。DX為RDC吸收回路的阻斷二極管，一般選用超快反向恢復(fù)二極管，其額定電壓值要高于直流母線電壓。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)比分析反激式開關(guān)電源有 RDC吸收回路與無(wú)RDC吸收回路的MOSFET芯片的漏-源電壓峰值，筆者搭建了反激開關(guān)電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配置了1.5倍額定負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。交流輸入電壓為220V/50Hz的工頻交流電，交流輸出側(cè)整流后的母線濾波電容C1與C2分別為100uF和0.1uF。RDC吸收回路中：吸收電容選值為2.2nF，放電電阻選值為68k歐。

圖4 TOP267漏-源極的電壓實(shí)驗(yàn)波形(沒(méi)使用RDC吸收回路)

圖5 使用RDC吸收回路情形的實(shí)驗(yàn)波形

圖4為反激式開關(guān)電源沒(méi)有在變壓器原邊使用RDC吸收回路，TOP267漏-源極的電壓波形，電壓峰值達(dá)到535V，波形中明顯可以看出，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，漏源電壓由0跳變的時(shí)刻，電壓尖峰很明顯，這個(gè)電壓尖峰基本是源于變壓器原邊漏感生成的電壓尖峰。圖5為反激式開關(guān)電源在變壓器原邊使用了RDC吸收回路的相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形，圖5(a)為TOP267漏-源極電壓波形，波形明顯看出，相比圖4的波形，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的漏源極電壓尖峰被基本消除，此時(shí)電壓峰值為437V，即開關(guān)管的電壓峰值相比于沒(méi)使用RDC吸收回路的情況下降低了98V，RDC吸收回路確實(shí)有效的降低了開關(guān)管的電壓峰值。圖5(b)為吸收電容的端電壓波形，波形中可以看出電容電壓的泄放過(guò)程，泄放后可達(dá)到鉗位前的電壓值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在設(shè)計(jì)的反激式開關(guān)電源的高頻變壓器原邊繞組側(cè)并聯(lián)使用了RDC吸收電路，并配置了相關(guān)RDC參數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，RDC吸收回路確實(shí)可以有效的限制開關(guān)管的電壓峰值，提升開關(guān)管的電壓承受能力。

[1]王進(jìn).基于OB2201反激式高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué),2013.

[2]劉俊.一種單管正激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2013.

[3]王一農(nóng),杜世俊,劉小宇.電容濾波型三相橋式整流電路的電壓分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,28(5)：554-557.

[4]張振國(guó),王敏華,曲菲等.TL431在開關(guān)電源反饋回路中的應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2014(2)：73-76.

[5]陳之勃,陳永真.反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

責(zé)任編輯：周圣強(qiáng)

審 稿 人：宋 斌

TM56

A 1009-8534（2017）03-0104-02

海燕，安徽能源技術(shù)學(xué)校講師，合肥工業(yè)大學(xué)碩士。