反激變換器MOSFET 開(kāi)通電流尖峰的PSIM 仿真研究

季三飛，譚王景，雷蕊英，王 晴

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)，712000）

1 引言

反激變換器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種小功率直流電源場(chǎng)合。由于反激變換器工作于高頻情況，因此元器件中的各種寄生參數(shù)就不能被輕易忽略，這些寄生參數(shù)會(huì)給電路的工作狀態(tài)帶來(lái)不同程度的影響。文獻(xiàn)[1]至文獻(xiàn)[5]分析了反激變壓器的漏感會(huì)給MOSFET 關(guān)斷時(shí)刻的漏源電壓上產(chǎn)生尖峰；文獻(xiàn)[6]至文獻(xiàn)[10]分析了反激變壓器的分布電容會(huì)在MOSFET 開(kāi)通時(shí)刻產(chǎn)生電流尖峰；文獻(xiàn)[11]至文獻(xiàn)[15]提出了采用RCD箝位電路來(lái)吸收MOSFET 關(guān)斷時(shí)刻的漏感能量來(lái)降低漏源尖峰電壓，但是沒(méi)有提到RCD 箝位電路在降低MOSFET 關(guān)斷時(shí)刻漏源尖峰電壓的同時(shí)會(huì)增大MOSFET 開(kāi)通時(shí)刻的電流尖峰。

本文在分析變壓器分布電容和箝位二極管結(jié)電容在MOSFET 開(kāi)通時(shí)刻進(jìn)行充電會(huì)產(chǎn)生電流尖峰的基礎(chǔ)上，同時(shí)通過(guò)了仿真驗(yàn)證。由于實(shí)際變壓器和二極管的寄生參數(shù)不可能完全消除，因此很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；但是可以通過(guò)仿真的方式在元件的理想模型上添加相應(yīng)的寄生參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 反激變換器的工作原理

圖1 所示為帶有RCD 箝位電路的反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，為輸入電源，T 表示理想反激變壓器，為變壓器的漏感，為變壓器的勵(lì)磁電感，V 為開(kāi)關(guān)管MOSFET，D2為副邊整流二極管，為輸出濾波電容，為輸出負(fù)載和D1分別對(duì)應(yīng)RCD 箝位電路中的電阻、電容和二極管。

圖1 反激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 寄生電容的影響

當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，副邊二極管D2截止，副邊相當(dāng)于開(kāi)路，這時(shí)輸入電源向變壓器原邊的勵(lì)磁電感蓄能。圖2 給出了MOSFET 開(kāi)通時(shí)刻的電路工作原理圖，其中圖（a）為理想箝位二極管和不考慮變壓器分布電容的情況，圖（b）為同時(shí)考慮箝位二極管的結(jié)電容和變壓器的分布電容的情況。

圖2 MOSFET 開(kāi)通時(shí)刻的工作原理圖

從圖2（a）中可以看出，當(dāng)MOSFET 開(kāi)通時(shí)，由于二極管D1承受反壓截止，RCD 箝位電路斷開(kāi)，漏感和勵(lì)磁電感串聯(lián)經(jīng)MOSFET 與輸入電源構(gòu)成回路，電流可以由式（1）進(jìn)行確定。

圖3的工作波形

從圖2（b）中可以看出，當(dāng)考慮箝位二極管的結(jié)電容時(shí)，由于的阻值較大，因此可以近似認(rèn)為開(kāi)路和之間串聯(lián)后與并聯(lián)（由于箝位電容遠(yuǎn)大于結(jié)電容因此和串聯(lián)后主要取決于D1）。在MOSFET 開(kāi)通時(shí)刻，輸入電壓瞬間加在變壓器兩端，電容和在很短的時(shí)間內(nèi)要充電至輸入電壓因此會(huì)有較大的充電電流而電感中的電流不能突變，因此會(huì)在上產(chǎn)生一個(gè)較大的電流尖峰，如圖3（b）所示。電流尖峰可以由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析，在PSIM 中搭建了反激變換器的仿真模型，同時(shí)設(shè)計(jì)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。反激變換器參數(shù)為：交流輸入220V，輸出直流12V，輸出額定功率30W，工作于DCM 模式，開(kāi)關(guān)頻率36kHz，變壓器原副邊匝比40：-4，勵(lì)磁電感470uH，漏感8uH，變壓器分布電容67pF，電流檢測(cè)電阻0.62Ω，RCD 箝位電路中的電阻4.7kΩ、電容3300pF、二極管型號(hào)為FR107（結(jié)電容15pF），MOSFET 型號(hào)為FQPF7N80C（開(kāi)通時(shí)間135ns）。

圖4 仿真波形

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)反激變換器的變壓器和RCD 箝位電路時(shí)，既要保證RCD 箝位電路能完全吸收掉變壓器漏感中的能量，減小MOSFET 關(guān)斷時(shí)刻的電壓尖峰，又要盡可能減小箝位二極管的結(jié)電容和變壓器的分布電容給MOSFET 開(kāi)通時(shí)刻帶來(lái)的電流尖峰。如果電流尖峰過(guò)大，可能會(huì)造成控制芯片的過(guò)流檢測(cè)功能誤觸發(fā)，影響反激變換器的正常工作。