跟電源專家陶顯芳學(xué)電源技術(shù)（五）：電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算 - 全文

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：國(guó)內(nèi)知名電源技術(shù)專家陶顯芳不辭勞苦，在雙節(jié)期間仍堅(jiān)持為各位電源工程師或愛(ài)好者排憂解難，寫出一些工程師們非常關(guān)心的技術(shù)問(wèn)題和常見的電源問(wèn)題及解決方法。電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯現(xiàn)為讀者整理成幾部分為《跟電源專家陶顯芳學(xué)電源技術(shù)》系列。內(nèi)容包括：

　　1、漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響（上）

　　2、漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響（下）

　　3、對(duì)漏感與分布電容的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析

　　4、電源開關(guān)管的過(guò)壓保護(hù)電路

　　5、電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算

　　6、RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例：開關(guān)變壓器初級(jí)線圈漏感Ls的計(jì)算

　　7、RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例：尖峰脈沖吸收電容器容量的計(jì)算

　　8、RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例：尖峰脈沖吸收電阻阻值的計(jì)算。
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電源的開關(guān)管電路

　　本文為電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算，內(nèi)容精彩，敬請(qǐng)對(duì)電子發(fā)燒友網(wǎng)保持密切關(guān)注。

　　從圖7可以看出，當(dāng)電源開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電流在開關(guān)變壓器鐵芯中儲(chǔ)存的磁能量將會(huì)通過(guò)開關(guān)變壓初、次級(jí)線圈產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行釋放，次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)將通過(guò)整流濾波電路進(jìn)行平滑濾波后，再給負(fù)載提供功率輸出；同時(shí)流過(guò)變壓器次級(jí)線圈的電流也要給變壓器鐵芯進(jìn)行消磁，使變壓器鐵芯中被磁化后的磁感應(yīng)強(qiáng)度（最大磁通密度Bm）退回到被勵(lì)磁電流磁化之前的值（剩磁Br）。

　　但在實(shí)際消磁過(guò)程中，由于變壓器初、次級(jí)線圈存在漏感，流過(guò)次級(jí)線圈N2的電流 并不能完全使變壓器鐵芯進(jìn)行退磁，即，變壓器鐵芯中儲(chǔ)存的，未被電流 退磁的一部分磁能量，將會(huì)通過(guò)漏感Ls產(chǎn)生的反激電壓脈沖，在變壓器初級(jí)線圈回路中產(chǎn)生電流來(lái)釋放。此時(shí)，如果反激脈沖電壓 泄放回路的等效電阻（圖中未畫出）很大，將會(huì)在漏感Ls或等效電阻R兩端產(chǎn)生非常高的反激輸出電壓。在圖3或圖7中，電源開關(guān)管D、S極兩端的等效電容Cds（實(shí)為等效電阻Rds），就相當(dāng)于漏感Ls產(chǎn)生反激脈沖電壓 泄放回路的等效電阻。

　　前面已經(jīng)分析過(guò)（參看圖3和圖6），當(dāng)電源開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，加到開關(guān)管D、S極之間的電壓等于輸入電壓U與開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1產(chǎn)生的反激輸出脈沖電壓（包括漏感產(chǎn)生的反激輸出脈沖電壓）之和；而開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1產(chǎn)生的反激電壓脈沖，正好等于其半波平均值與一個(gè)振蕩波形迭加（參看圖6-c）。

　　可以證明，在開關(guān)電源電路中，當(dāng)電源開關(guān)管突然關(guān)斷時(shí)，反激輸出尖峰高壓脈沖主要是由變壓器的漏感Ls產(chǎn)生的；漏感Ls產(chǎn)生的尖峰脈沖，首先迭加在一個(gè)幅度為開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1反激輸出電壓的半波平均值之上，然后再與輸入電壓迭加；三個(gè)部分電壓迭加后都一起加到電源開關(guān)管的D、S極之間。

　　在反激式開關(guān)電源之中，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈一般都要與整流濾波電路連接，經(jīng)整流濾波后輸出的直流電壓，其紋波電壓非常小，其輸出電壓基本上就等于開關(guān)變壓器次級(jí)線圈反激輸出電壓脈沖的半波平均值，或輸出電壓就是在半波平均值的基礎(chǔ)上迭加一個(gè)紋波，當(dāng)紋波電壓很小時(shí)，輸出電壓就可以認(rèn)為等于輸出電壓脈沖的半波平均值。

　　關(guān)于變壓器初、次級(jí)線圈反激輸出電壓的幅值以及半波平均值的定義與計(jì)算，請(qǐng)參考前面（5）～（8）式，不過(guò)需要注意的是，這些等式給出的結(jié)果，并沒(méi)有把分布電容對(duì)電路的影響考慮進(jìn)去，當(dāng)把分布電容考慮進(jìn)去時(shí)，電路相對(duì)要復(fù)雜一些。

　　根據(jù)以上分析，以及（5）～（8）式計(jì)算結(jié)果，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出到整流二極管的反激輸出電壓脈沖的幅度正好等于輸出電壓脈沖的半波平均值（忽略整流二極管的壓降以及分布電感Ls對(duì)輸出電壓的影響）；通過(guò)電磁感應(yīng)，次級(jí)電壓脈沖幅度等效到初級(jí)線圈的電壓脈沖幅度也是半波平均值，即：　，

　　 為初級(jí)線圈電壓脈沖的半波平均值， 為次級(jí)線圈電壓脈沖的半波平均值，n為變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的電壓比。

　　在正激式開關(guān)電源之中，開關(guān)變壓器必須要設(shè)置一個(gè)次級(jí)反饋線圈，反饋線圈輸出的反激電壓脈沖經(jīng)過(guò)整流之后，再反饋回工作電壓的輸入端，這相當(dāng)于反饋線圈輸出的反激電壓脈沖高出輸入電壓部分完全被限幅；因此，在反饋線圈輸出的電壓中基本不含尖峰脈沖電壓，其等效到初級(jí)線圈輸出的反激電壓也不含尖峰脈沖電壓。

　　由此可知，當(dāng)電源開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，無(wú)論是反激式開關(guān)電源或者是正激式開關(guān)電源，在無(wú)漏感的情況下，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈反激輸出的電壓脈沖幅度都基本等于半波平均值，從而可以間接證明：開關(guān)變壓初級(jí)線圈產(chǎn)生的高壓反電動(dòng)勢(shì)是由變壓器初級(jí)線圈的漏感Ls產(chǎn)生的。

　　由（5）～（8）式可知，變壓器初、次級(jí)線圈反激輸出電壓的幅值主要與電源開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton的大小和電流回路中泄放電阻的大小有關(guān)，還與充電回路的電容大小有關(guān)；當(dāng)電流回路中泄放電阻的阻值很大或者開路時(shí)，漏感產(chǎn)生的反激輸出電壓脈沖幅度是很高的，但其半波平均值與泄放電阻的阻值大小幾乎不相關(guān)，只與脈沖寬度相關(guān)，請(qǐng)參看（5）～（8）式。

　　在圖7中，當(dāng)電源開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，如果忽略整流二極管的電壓降，電容器C兩端的電壓uc，就等于變壓器初級(jí)線圈中勵(lì)磁電感 與漏感 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（反激電壓） 與 之和，即：

　　 ——開關(guān)管關(guān)斷時(shí) （22）

　　其中，

　　 ——開關(guān)管關(guān)斷時(shí) （23）

　?。?8）式中， 為電源開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間電容器C儲(chǔ)存的能量， 為電源開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間電阻R損耗的能量， 為電源開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間漏極電流（逐步減小）對(duì)電容器C充電產(chǎn)生分流作用所做的功。

　　如果不考慮電阻R對(duì)電容器C充電時(shí)產(chǎn)生的分流作用，以及開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間漏極電流（逐步減?。?duì)電容器C充電時(shí)產(chǎn)生的分流作用，即： 。

?????? 則（28）式可以改寫為：

　　仔細(xì)觀察（31）式和（32）式可知，當(dāng)電容器C的積累電荷很小時(shí)，電容器C兩端電壓的半波平均值就正好等于或略大于紋波電壓的兩倍，即： 。為了計(jì)算方便，在計(jì)算過(guò)程中，我們可以令電容器C兩端電壓的半波平均值約等于紋波電壓的兩倍來(lái)進(jìn)行計(jì)算。即： 。

　　（35）和（36）中，r為一個(gè)與電阻R大小有關(guān)和與開關(guān)管D-S極之間分布電容參數(shù)有關(guān)的分流系數(shù)，0 ≤ r ≤ 1 。分流系數(shù)表示：當(dāng)考慮電阻R對(duì)電容器C充電的分流作用，以及開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間，漏極電流對(duì)電容器C充電的分流作用時(shí)，R和D-S極分布電容對(duì)電容器C充電產(chǎn)生的分流作用為（1 - r）倍。當(dāng)R開路和D-S極分布電容等于0時(shí)，分流系數(shù)r = 1 。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，總是要對(duì)計(jì)算結(jié)果預(yù)留一定的余量；如果令（35）和（36）式中的分流系數(shù)r = 1，即：當(dāng)使用（35）和（36）式計(jì)算電容器兩端的紋波電壓或電容器的容量時(shí)，其計(jì)算得到的結(jié)果就相當(dāng)于已經(jīng)預(yù)留了（1 - r）倍的余量。因此，我們可以用（35）和（36）式來(lái)計(jì)算電容C的容量以及其兩端紋波電壓 的極限值。

　　從（35）式可以看出，開關(guān)管每關(guān)斷一次，電容器C兩端的電壓就要增加一個(gè)電壓增量 ；為了不讓電容器C兩端的電壓不斷增加，必須要在開關(guān)管導(dǎo)通期間，把電容器C每次充電新增的電荷通過(guò)R釋放掉；即，在開關(guān)管每次關(guān)斷之前，電容器C兩端的電壓都要通過(guò)電阻R釋放掉一部分，使下降的電壓正好與電容器C充電時(shí)新增的電壓 在數(shù)值上相等，符號(hào)相反；即下降的電壓為 。

　　由圖7可以看出，電容器C兩端電壓的最大值Ucm等于變壓器初級(jí)線圈勵(lì)磁電感 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 和漏感 產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ，兩者之和（即變壓器初級(jí)線圈的反激輸出電壓）的半波平均值，與電容器C充電時(shí)產(chǎn)生的電壓增量 的二分之一，三者迭加。即：

　　下面我們來(lái)討論一下，電容器電壓增量 數(shù)值的選取。

　　前面已經(jīng)分析過(guò)，當(dāng)電源開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，加到開關(guān)管D、S極之間的電壓等于輸入電壓U與開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1產(chǎn)生的反激輸出脈沖電壓（包括漏感產(chǎn)生的反激輸出脈沖電壓）之和，參看（39）、（40）式。在圖7中，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈N1產(chǎn)生的反激電壓脈沖的最大值，正好等于RCD尖峰脈沖吸收電路中電容器兩端電壓的最大值 ，而 可以根據(jù)（37）、（38）、（39）、（40）式求得。