你的位置:首頁(yè) > 電源管理 > 正文

開關(guān)電源中RC緩沖電路的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-09-08

中心議題:
  • RC緩沖電路設(shè)計(jì)
  • 帶RC緩沖的正激變換器主電路設(shè)計(jì)
解決方案:
  • 電容C限制了集電極電壓的上升速度
  • 電容C的大小不僅影響集電極電壓的上升速度,而且決定了電阻R上的能量損耗

在帶變壓器的開關(guān)電源拓?fù)渲?,開關(guān)管關(guān)斷時(shí),電壓和電流的重疊引起的損耗是開關(guān)電源損耗的主要部分,同時(shí),由于電路中存在雜散電感和雜散電容,在功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí),電路中也會(huì)出現(xiàn)過電壓并且產(chǎn)生振蕩。如果尖峰電壓過高,就會(huì)損壞開關(guān)管。同時(shí),振蕩的存在也會(huì)使輸出紋波增大。為了降低關(guān)斷損耗和尖峰電壓,需要在開關(guān)管兩端并聯(lián)緩沖電路以改善電路的性能。

緩沖電路的主要作用有:一是減少導(dǎo)通或關(guān)斷損耗;二是降低電壓或電流尖峰;三是降低dV/dt或dI/dt。由于MOSFET管的電流下降速度很快,所以它的關(guān)斷損耗很小。雖然MOSFET管依然使用關(guān)斷緩沖電路,但它的作用不是減少關(guān)斷損耗,而是降低變壓器漏感尖峰電壓。本文主要針對(duì)MOSFET管的關(guān)斷緩沖電路來進(jìn)行討論。

1RC緩沖電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)RC緩沖電路時(shí),必須熟悉主電路所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況。圖l所示是由RC組成的正激變換器的緩沖電路。圖中,當(dāng)Q關(guān)斷時(shí),集電極電壓開始上升到2Vdc,而電容C限制了集電極電壓的上升速度,同時(shí)減小了上升電壓和下降電流的重疊,從而減低了開關(guān)管Q的損耗。而在下次開關(guān)關(guān)斷之前,C必須將已經(jīng)充滿的電壓2Vdc放完,放電路徑為C、Q、R。


假設(shè)開關(guān)管沒帶緩沖電路,圖1所示的正激變換器的復(fù)位繞組和初級(jí)繞組匝數(shù)相同。這樣,當(dāng)Q關(guān)斷瞬間,儲(chǔ)存在勵(lì)磁電感和漏感中的能量釋放,初級(jí)繞組兩端電壓極性反向,正激變換器的開關(guān)管集電極電壓迅速上升到2Vdc。同時(shí),勵(lì)磁電流經(jīng)二極管D流向復(fù)位繞組,最后減小到零,此時(shí)Q兩端電壓下降到Vdc。圖2所示是開關(guān)管集電極電流和電壓波形??梢姡_關(guān)管不帶緩沖電路時(shí),在Q關(guān)斷時(shí),其兩端的漏感電壓尖峰很大,產(chǎn)生的關(guān)斷損耗也很大,嚴(yán)重時(shí)很可能會(huì)燒壞開關(guān)管,因此,必須給開關(guān)管加上緩沖電路。

當(dāng)開關(guān)管帶緩沖電路時(shí),其集電極電壓和電流波形如圖3所示(以正激變換器為例)。
[page]
在圖1中,當(dāng)Q開始關(guān)斷時(shí),其電流開始下降,而變壓器漏感會(huì)阻止這個(gè)電流的減小。一部分電流將繼續(xù)通過將要關(guān)斷的開關(guān)管,另一部分則經(jīng)RC緩沖電路并對(duì)電容C充電,電阻R的大小與充電電流有關(guān)。

Ic的一部分流進(jìn)電容C,可減緩集電極電壓的上升。通過選取足夠大的C,可以減少集電極的上升電壓與下降電流的重疊部分,從而顯著降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗,同時(shí)還可以抑制集電極漏感尖峰電壓。

圖3中的A-C階段為開關(guān)管關(guān)斷階段,C-D為開關(guān)管導(dǎo)通階段。在開關(guān)管關(guān)斷前,電容C兩端電壓為零。在關(guān)斷時(shí)刻(B時(shí)刻),C會(huì)減緩集電極電壓的上升速度,但同時(shí)也被充電到2Vdc(在忽略該時(shí)刻的漏感尖峰電壓的情況下)。

電容C的大小不僅影響集電極電壓的上升速度,而且決定了電阻R上的能量損耗。在Q關(guān)斷瞬間,C上的電壓為2Vdc,它儲(chǔ)存的能量為0.5C(2Vdc)2焦耳。如果該能量全部消耗在R上,則每周期內(nèi)消耗在R上的能量為:


對(duì)限制集電極上升電壓來說,C應(yīng)該越大越好;但從系統(tǒng)效率出發(fā),C越大,損耗越大,效率越低。因此,必須選擇合適的C,使其既能達(dá)到一定的減緩集電極上升電壓速度的作用,又不至于使系統(tǒng)損耗過大而使效率過低。

在圖3中,由于在下一個(gè)關(guān)斷開始時(shí)刻(D時(shí)刻)必須保證C兩端沒有電壓,所以,在B時(shí)刻到D時(shí)刻之間的某時(shí)間段內(nèi),C必須放電。實(shí)際上,電容C在C-D這段時(shí)間內(nèi),也可以通過電阻R經(jīng)Q和R構(gòu)成的放電回路進(jìn)行放電。因此,在選擇了一個(gè)足夠大的C后,R應(yīng)使C在最小導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)放電至所充電荷的5%以下,這樣則有:

式(1)表明R上的能量損耗是和C成正比的,因而必須選擇合適的C,這樣,如何選擇C就成了設(shè)計(jì)RC緩沖電路的關(guān)鍵,下面介紹一種比較實(shí)用的選擇電容C的方法。

事實(shí)上,當(dāng)Q開始關(guān)斷時(shí),假設(shè)最初的峰值電流Ip的一半流過C,另一半仍然流過逐漸關(guān)斷的Q集電極,同時(shí)假設(shè)變壓器中的漏感保持總電流仍然為Ip。那么,通過選擇合適的電容C,以使開關(guān)管集電極電壓在時(shí)間tf內(nèi)上升到2Vdc(其中tf為集電極電流從初始值下降到零的時(shí)間,可以從開關(guān)管數(shù)據(jù)手冊(cè)上查詢),則有:


因此,從式(1)和式(3)便能計(jì)算出電容C的大小。在確定了C后,而最小導(dǎo)通時(shí)間已知,這樣,通過式(2)就可以得到電阻R的大小。

2帶RC緩沖的正激變換器主電路設(shè)計(jì)

2.1電路設(shè)計(jì)

圖4所示是一個(gè)帶有RC緩沖電路的正激變換器主電路。該主電路參數(shù)為:Np=Nr=43匝。Ns=32匝,開關(guān)頻率f=70kHz,輸入電壓范圍為直流48~96V,輸出為直流12V和直流0.5A。


[page]
開關(guān)管Q為MOSFET,型號(hào)為IRF830,其tf一般為30ns。

Dl、D2、D3為快恢復(fù)二極管,其tf很小(通常tf=30ns)。

本設(shè)計(jì)的輸出功率P0=V0I0=6W,假設(shè)變換器的效率為80%,每一路RC緩沖電路所損耗的功率占輸出功率的1%。這里取Vdc=48V。

2.2實(shí)驗(yàn)分析

下面分兩種情況對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,一是初級(jí)繞組有緩沖,次級(jí)無緩沖;二是初級(jí)無緩沖,次級(jí)有緩沖。

(1)初級(jí)繞組有緩沖,次級(jí)無緩沖

該實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是開關(guān)管Q兩端的漏源電壓,實(shí)驗(yàn)分以下兩種情況:

第一種情況是RS1=1.5kΩ,CS1不定,輸入直流電壓Vdc為48V。

其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:在RS1不變的情況下,CSl越大,雖然開關(guān)管Q的漏感尖峰電壓無明顯降低,但它的漏源電壓變得平緩了,這說明在初級(jí)開關(guān)管的RC緩沖電路中,CSl應(yīng)該選擇比較小的值。

第二種情況是CSl=33pF,RS1不定,輸入直流電壓Vdc為48V。其結(jié)果是:當(dāng)CS1不變時(shí),RS1越大,開關(guān)管Q的漏感尖峰電壓越大(增幅比較小)。

可見,RC緩沖電路中,參數(shù)R的大小對(duì)降低漏感尖峰有很大的影響。在選定一個(gè)合適的C,同時(shí)滿足式(2)時(shí),R應(yīng)該選擇比較小的值。

(2)次級(jí)繞組有緩沖,初級(jí)無緩沖

本實(shí)驗(yàn)以D2、D3的陰極作為公共端來測(cè)量快恢復(fù)二極管的端壓,其結(jié)果是,當(dāng)R不變時(shí),C越大,二極管兩端的漏感尖峰越小。同時(shí)理論上,如果C為無窮大時(shí),二極管兩端的電壓中就沒有漏感尖峰。而在實(shí)際中,只需讓二極管兩端電壓的漏感尖峰電壓在其端壓峰值的30%以內(nèi)就可以滿足要求了,這樣同時(shí)成本也不會(huì)太高。

2.3設(shè)計(jì)參數(shù)的確定


通過實(shí)驗(yàn)分析可見,在次級(jí)快恢復(fù)二極管的RC緩沖電路中,當(dāng)選擇了適當(dāng)大小的電容C時(shí),在滿足式(2)的情況下,電阻R應(yīng)該選擇得越小越好。

最終經(jīng)過實(shí)際調(diào)試,本設(shè)計(jì)選擇的RC緩沖電路參數(shù)為:
初級(jí):RS1=200,CSl=100pF
次級(jí):RS2=RS3=5l,CS2=CS3=1000pF

本設(shè)計(jì)的初級(jí)開關(guān)管的RC緩沖電路中的C值雖然選得稍微比計(jì)算值大一些,但損耗也不是很大,因此還是可以接受的。相對(duì)初級(jí)而言,次級(jí)快恢復(fù)二極管的RC緩沖電路中的C值就選得比計(jì)算值大得多,系統(tǒng)的損耗必然增大。但是,并聯(lián)在快恢復(fù)二極管兩端的RC緩沖電路主要是為了改善系統(tǒng)輸出性能,因此選擇比較大的C值雖然會(huì)使系統(tǒng)的整體效率降低,但二極管兩端的漏感尖峰就減小了很多,而且輸出電壓的紋波也可以達(dá)到指定要求。

根據(jù)以上給出的公式,可以很好而且很方便地選擇出合適的RC緩沖電路。但是在工程應(yīng)用中,應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo),通過實(shí)際調(diào)試才能得到真正合適的參數(shù)。有時(shí)候,為了達(dá)到系統(tǒng)的性能指標(biāo),犧牲一定的效率也是必要的??傊?,在設(shè)計(jì)RC緩沖電路參數(shù)時(shí),必須綜合考慮系統(tǒng)性能和效率,最終選擇合適的RC參數(shù)。
要采購(gòu)開關(guān)么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉