無需緩沖器的反激式轉(zhuǎn)換器

作者：Ray Ridley博士，Ridley Engineering

所有PWM轉(zhuǎn)換器都有寄生元件，可導(dǎo)致必須適當(dāng)抑制的振鈴波形。不這樣做，半導(dǎo)體元件就可能失效，噪聲水平將比要求的更高。本文將介紹用于備受青睞的反激式轉(zhuǎn)換器的較常用的RCD箝位電路，及其設(shè)計(jì)公式。

沒有緩沖器，反激式變壓器振鈴的漏感會(huì)隨電路中的雜散電容產(chǎn)生，生產(chǎn)大幅度高頻波形，如圖所示1。

許多應(yīng)用筆記和設(shè)計(jì)沒有解決這個(gè)問題，忽略了振鈴波形和轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行。有兩個(gè)問題：首先，在FET漏極有過大的電壓，可能導(dǎo)致雪崩擊穿并較終導(dǎo)致器件故障。其次，振鈴波形將成為輻射和傳導(dǎo)到整個(gè)電源、負(fù)載和電子系統(tǒng)，引起噪聲問題甚至邏輯錯(cuò)誤。振鈴頻率還將以輻射和傳導(dǎo)EMI是形式表現(xiàn)為EMI頻譜的峰值。

圖1. 反激式轉(zhuǎn)換器漏極電壓。

在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，這是不可接受的，必須增加電路元件抑制振鈴（使用一個(gè)RC緩沖器），或者箝制電壓（用RCD箝位），或者兩個(gè)都用。這些網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是測(cè)量和分析的結(jié)合，可以確保耐用和可靠的效果。

反激式轉(zhuǎn)換器的初級(jí)RCD箝位

圖2給出了一個(gè)RCD箝位電路，當(dāng)一個(gè)RC緩沖器不足以有效防止開關(guān)過壓時(shí)，它可用來限制FET漏極的峰值電壓。一旦漏極電壓超過箝位電容器電壓，RCD箝位即靠吸收漏感電流工作。采用一個(gè)比較大的電容器可保持一個(gè)開關(guān)周期的電壓恒定。

RCD箝位的電阻器總會(huì)浪費(fèi)功率。即使在轉(zhuǎn)換器上有很小的負(fù)載，電容器都將進(jìn)行充電高達(dá)從轉(zhuǎn)換器次級(jí)反射的電壓，即v_f。由于負(fù)載增加，更多能量將流入電容器，而電壓將提高更多，即v_x，它在理想的方波反激電壓之上。該波形定義了這些電壓，如圖2所示。

圖2. 帶有初級(jí)RCD箝位的反激式轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)步驟1——測(cè)量漏感

重要的是測(cè)量反激式變壓器的漏感，然后再設(shè)計(jì)緩沖器。不要不只猜測(cè)電感值，而是要明白磁性元件制造商的較差規(guī)格對(duì)設(shè)計(jì)來說經(jīng)常不夠精確。另外，漏感是頻率相關(guān)的，必須在適當(dāng)?shù)念l率值進(jìn)行測(cè)量。

設(shè)計(jì)步驟2——確定峰值箝位電壓

現(xiàn)在必須決定功率MOSFET可以容許多少電壓，并計(jì)算在箝位電平條件下箝位將耗散的功率量。與漏感L相關(guān)的功率，及關(guān)斷時(shí)的當(dāng)前較差電流I_p可以表示為：

             公式1

對(duì)RCD緩沖器的分析出現(xiàn)在論文和大量應(yīng)用筆記當(dāng)中。假設(shè)沒有雜散電容要充電，所有泄漏能量都被傳導(dǎo)到來自漏感的緩沖電容器。假定電容器足夠大，其邏輯值在在一次開關(guān)周期期間沒有顯著變化。

利用這些假設(shè)，RCD箝位的功耗可以表示為存儲(chǔ)在電感器中的能量，具體如下：

        公式2

換句話說，我們讓開關(guān)上的箝位電壓升得越高，總功耗越低。但是當(dāng)然，我們必須對(duì)此進(jìn)行平衡以防止總電壓出現(xiàn)在功率FET兩端，因此我們不能任意降低功耗。

一個(gè)典型設(shè)計(jì)可用于電壓v_x等于1/2反激電壓。在這種情況下，功耗等于存儲(chǔ)在漏感中能量的三倍，它不是一個(gè)立即可見的結(jié)果。然而，這是一個(gè)保守的估計(jì)。它沒有解釋電感器的有損放電，也沒有解釋雜散電容。實(shí)際上，由于這些結(jié)果，該設(shè)計(jì)的箝位損失將比預(yù)期的更少。

高壓離線設(shè)計(jì)這些經(jīng)常限制使用一個(gè)較高電壓為650或700V的FET，電壓v_x將將很難限制所設(shè)定的較大輸入電壓、較大電流和FET擊穿電壓。不要超過FET規(guī)定的Vds，意識(shí)到擊穿可能隨溫度變化。一些設(shè)計(jì)人員依賴于FET的雪崩能力，讓它有規(guī)律地超過擊穿電壓。這不是為可靠的電源設(shè)計(jì)推薦的。

設(shè)計(jì)步驟3——選擇箝位電阻器

緩沖器的電容器需要足夠大，以保持一個(gè)相對(duì)恒壓，同時(shí)吸收泄漏能量。除了這一考慮，其邏輯值要求不高，當(dāng)緩沖器正常工作時(shí)不會(huì)影響峰值電壓。

電阻器在確定峰值電壓v_x方面是至關(guān)重要的元件，因此需要根據(jù)以下公式選擇：

      公式3

一個(gè)大數(shù)值電阻器將減緩箝位電容器的放電，有助于電壓提升到更高值。一個(gè)小數(shù)值電阻器將導(dǎo)致較低的箝位電壓，而功耗將增加。

設(shè)計(jì)步驟4——計(jì)算功率損耗

現(xiàn)在緩沖器設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，但是我們經(jīng)常還需要知道上述公式中，除了較差條件電流I_p，電流的功耗是多少。使用以下公式計(jì)算某一給定峰值電流I和漏感L的已知緩沖器的電壓上升。

v_x是電壓上升值，高于反激電壓，可以表示為：

  公式4

功耗可以表示為：

           公式5

設(shè)計(jì)步驟5——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是必不可少的，因?yàn)閷⒊霈F(xiàn)沒有計(jì)入公式的結(jié)果，你的電路將出現(xiàn)非理想的元件。圖3所示為箝制FET漏極電壓峰值電路的效益。

圖3. 帶有初級(jí)RCD箝位的反激式轉(zhuǎn)換器漏極電壓。

該數(shù)值還給出了一個(gè)RCD箝位限制。在箝制周期結(jié)束之后，電路恢復(fù)振鈴。采用理想的元件，這將不會(huì)發(fā)生。不過，RCD箝位的二極管有一個(gè)有限的反向恢復(fù)時(shí)間，有助于漏感電流流入二極管的相反方向，可導(dǎo)致振鈴。RCD緩沖器各種類型二極管選擇至關(guān)重要。它必須盡可能的快，具有合適的額定電壓。

這個(gè)振鈴的嚴(yán)重程度將取決于RCD二極管兩端反向施加的電壓。你允許的箝位電壓爬得越高，功耗就越低，電壓越高且dv/dt施加在二極管上，振鈴將增加。

通過采用RC緩沖器隨后的振鈴可以再一次被抑制。

總結(jié)

RCD箝位電路對(duì)所有反激式轉(zhuǎn)換器非常有用，可以減少功率FET上的壓力。要確保箝位的目的是將較差工作條件下（高電壓和較大電流極限）的電壓限制低于元件的額定電壓。本文中的設(shè)計(jì)公式排除了來自箝位設(shè)計(jì)的猜測(cè)。

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