無需緩沖器的反激式轉換器技術

無需緩沖器的反激式轉換器技術

　所有PWM轉換器都有寄生元件，可導致必須適當抑制的振鈴波形。不這樣做，半導體元件就可能失效，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換器的最常用的RCD箝位電路，及其設計公式。

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

　　許多應用筆記和設計沒有解決這個問題，忽略了振鈴波形和轉換器的運行。有兩個問題：首先，在FET漏極有過大的電壓，可能導致雪崩擊穿并最終導致器件故障。其次，振鈴波形將成為輻射和傳導到整個電源、負載和電子系統(tǒng)，引起噪聲問題甚至邏輯錯誤。振鈴頻率還將以輻射和傳導EMI是形式表現(xiàn)為EMI頻譜的峰值。

　　在大多數(shù)設計中，這是不可接受的，必須增加電路元件抑制振鈴（使用一個RC緩沖器），或者箝制電壓（用RCD箝位），或者兩個都用。這些網絡的設計是測量和分析的結合，可以確保耐用和可靠的效果。

　　反激式轉換器的初級RCD箝位

　　圖2給出了一個RCD箝位電路，當一個RC緩沖器不足以有效防止開關過壓時，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。采用一個比較大的電容器可保持一個開關周期的電壓恒定。

　　RCD箝位的電阻器總會浪費功率。即使在轉換器上有很小的負載，電容器都將進行充電高達從轉換器次級反射的電壓，即vf。由于負載增加，更多能量將流入電容器，而電壓將提高更多，即vx，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。

　　設計步驟1——測量漏感

　　重要的是測量反激式變壓器的漏感，然后再設計緩沖器。不要不只猜測電感值，而是要明白磁性元件制造商的最差規(guī)格對設計來說經常不夠精確。另外，漏感是頻率相關的，必須在適當?shù)念l率值進行測量。

　　設計步驟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，并計算在箝位電平條件下箝位將耗散的功率量。與漏感L相關的功率，及關斷時的當前最差電流Ip可以表示為：

　　公式1

　　對RCD緩沖器的分析出現(xiàn)在論文和大量應用筆記當中。假設沒有雜散電容要充電，所有泄漏能量都被傳導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周期期間沒有顯著變化。

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

　　公式2

　　換句話說，我們讓開關上的箝位電壓升得越高，總功耗越低。但是當然，我們必須對此進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。

　　一個典型設計可用于電壓vx等于1/2反激電壓。在這種情況下，功耗等于存儲在漏感中能量的三倍，它不是一個立即可見的結果。然而，這是一個保守的估計。它沒有解釋電感器的有損放電，也沒有解釋雜散電容。實際上，由于這些結果，該設計的箝位損失將比預期的更少。

　　高壓離線設計這些經常限制使用一個最高電壓為650或700V的FET，電壓vx將將很難限制所設定的最大輸入電壓、最大電流和FET擊穿電壓。不要超過FET規(guī)定的Vds，意識到擊穿可能隨溫度變化。一些設計人員依賴于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計推薦的。

　　設計步驟3——選擇箝位電阻器

　　緩沖器的電容器需要足夠大，以保持一個相對恒壓，同時吸收泄漏能量。除了這一考慮，其邏輯值要求不高，當緩沖器正常工作時不會影響峰值電壓。

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

　　公式3

　　一個大數(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。一個小數(shù)值電阻器將導致較低的箝位電壓，而功耗將增加。

　設計步驟4——計算功率損耗

　　現(xiàn)在緩沖器設計已經完成，但是我們經常還需要知道上述公式中，除了最差條件電流Ip，電流的功耗是多少。使用以下公式計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。

　　vx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

　　設計步驟5——實驗驗證

　　設計的實驗驗證是必不可少的，因為將出現(xiàn)沒有計入公式的結果，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RCD箝位的反激式轉換器漏極電壓。

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

　　這個振鈴的嚴重程度將取決于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

　　RCD箝位電路對所有反激式轉換器非常有用，可以減少功率FET上的壓力。要確保箝位的目的是將最差工作條件下（高電壓和最大電流極限）的電壓限制低于元件的額定電壓。本文中的設計公式排除了來自箝位設計的猜測。