RCD钳位电路分析及参数设计

4.1基本原理分析
    由于变压器漏感的存在,反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压,使得开关管承受较高的电压应力,甚至可能导致开关管损坏。因此,为确保反激变换器安全可靠工作,必须引入钳位电路吸收漏感能量。钳位电路可分为有源和无源钳位电路两类,其中无源钳位电路因不需控制和驱动电路而被广泛应用。在无源钳位电路中,RCD 钳位电路因结构简单、体积小、成本低而倍受青睐。
    RCD钳位电路在吸收漏感能量的时候,同时也会吸收变压器中的一部分储能,所以RCD钳位电路参数的选择,以及能耗到底为多少,想要确定这些情况会变得比较复杂。对其做详细的分析是非常必要的,因为它关系到开关管上的尖峰电压,从而影响到开关管的选择,进而会影响到EMI,并且,RCD电路设计不当,会对效率造成影响,而过多的能量损耗又会带来温升问题,所以说RCD钳位电路可以说是很重要的部分。
图9
图10
自制有源音箱图11
反激变换器RCD 钳位电路的能量转移过程可分成5 阶段,详细分析如下:
1)t0-t1阶段。开关管T1导通,二极管D1、D2因反偏而截止,钳位电容C1通过电阻R1释放能量,电容两端电压UC下降;同时,输入电压Ui加在变压器原边电感LP两端,原边电感电流ip线性上升,其储能随着增加,直到t1时刻,开关管T1关断,ip增加到最大值。此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(a)所示。
2)t1-t2阶段。从t1时刻开始,开关管进入关断过程,流过开关管的电流id 开始减小并快速下降到零;同时,此阶段二极管D2仍未导通,而流过变压器原边的电流IP首先给漏源寄生电容Cds恒流充电(因LP很大),UDS快速上升(寄生电容Cds较小),变压器原边电感储存能量的很小一部份转移到Cds;直到t2时刻,UDS 上升到Ui+Uf(Uf为变压器副边向原边的反馈电压)。此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(b)所示,钳位电容C1继续通过电阻R1释放能量。
3)t2-t3阶段。t2时刻,UDS上升到Ui+Uf后,D2开始导通,变压器原边的能量耦合到副边,并开始向负载传输能量。由于变换器为稳压输出,则由变压器副边反馈到原边的电压Uf=n(Uo+UD)(Uo为输出电压,UD为二极管D2导通压降,n为变压器的变比)可等效为一个电压源。但由于变压器不可避免存在漏感,因此,变压器原边可等效为一电压源Uf和漏感L十六大报告
lk串联,继续向Cds充电。直到t3时刻,UDS上升到Ui+UCV(UCV的意义如图1(b)所示),此阶段结束。此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(c)所示,钳位电容C1依然通过电阻R1释放能量。由于t1-t3阶段持续时间很短,可以认为该阶段变压器原边峰值电流IP对电容Cds恒流充电。
4)t3-t4阶段。t3时刻,UDS 上升到Ui+UCV,D1开始导通,等效的反馈电压源Uf与变压器漏感串联开始向钳位电容C1充电,因此漏源电压继续缓慢上升(由于C1的容量通常比Cds大很多),流过回路的电流开始下降,一直到t4时刻,变压器原边漏感电流ip下降到0,二极管D1关断,开关管漏源电压上升到最大值Ui+UCP(UCP的意义如图1(b)所示)。此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(d)所示。
5)t4-t5阶段。t4时刻,二极管D1已关断,但由于开关管漏源寄生电容Cds的电压UDS=Ui+UCP>Ui,将有一反向电压加在变压器原边两端,因此,Cds与变压器原边励磁电感Ls及其漏感Llk开始谐振,其能量转移等效电路如图2(e)所示。谐振期间,开关管的漏源电压UDS逐渐下降,储存于Cds中的能量的一部份将转移到副边,另一部分能量返回输入电源,直到t5时刻谐振结束时,漏源电压UDS稳定在Ui+Uf。由于此阶段二极管D1关断,
钳位电容C1通过电阻R1放电,其电压UC将下降。结合图1和图2进行分析可知:如果反馈电压大于钳位电容电压,则在整个开关关断期间,回馈电压一直在向RCD钳位电路提供能量,而该能量最终将被电阻R1消耗,因而将产生巨大的损耗。
以上的分析是西安科技大学电气与控制工程学院刘树林教授于2010年发表在点击工程学报上的一篇关于RCD钳位电路的论文。
他的分析很详细,也很直观,也都是对的。是我在网络上能到的最好的关于RCD钳位电路的分析。我也参考了PI与仙童公司给出的设计参考,以及网络上网友归纳的一些观点与计算公式。但是我必须说,这些参考文献给出的计算方法,没有一个是可以直接应用的,至少在这个使用ssl4101t的电源方案中,计算值与实际值出入非常大。
4.2元件参数设计计算
下面我说下,我参考了各种资料以及自己分析出的一种计算方法。
流入钳位电路的能量在传递到RCD钳位电路后,所有的文献都说,漏感能量损耗在了电阻R上,可以这么说,但是如果以这个为依据对钳位电阻的阻值进行计算设计,这样的做法
棕树蛇是不对的,因为,这样计算出来的电阻值不能保证,钳位电路上的电压波动在预想的范围内,范围波动的变化会影响到计算时所预计的箝位电压值,导致整个设计完全失败。所以电阻值的计算只有一个依仗,就是RC一阶电路的理论,在前面已经介绍了。这个电阻值的设计在于一个周期所期望的压降,这个压降由RC缓冲电路的放电速度限定。而当电阻的阻值并非由功率设定时,那么电阻上的功率只由电阻的上的压降以及其阻值决定。
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由上面的分析,设钳位电压最高值为,最低值为,注意这里的最高值和最低值都是电容两端的压降值。ad637可得以下三个公式:
                    (4-1)
                      (4-2)
                  (4-3)
可以肯定的是,电容会将流入钳位电路的能量充分吸收,所以电容值C通过能量来确定。则下面有:
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从能量上考虑,RCD钳位电路必然要吸收漏感的能量,但是,这个漏感能量在传递到RCD钳位电路之前,是有损耗的,损耗在于MOS管的输出电容上,也就是Coss,因为,漏感能量要先给它充能,使得它两端的电压能达到钳位电路的钳位电压,达到了钳位电压后,二极管才会导通,接着才是漏感能量向钳位电路传递能量,但是在MOS管输出电容上损耗的能量是非常小的,大概在漏感能量的3%左右,所以可以忽略不计。还有一点非常重要,漏感电流在流入钳位电路的过程中,反射电压会对其做功,在上面的等效图上,看上去反射点呀是不会对漏感电流做功的,但是实际的情况是,初级漏感并非是在初级电感之后的小尾巴,它存在于初级电感的每一处,所以反射电压是确确实实的加在了漏感身上,那么当漏感激发出电流时,反射电压就会对其做功。在《开关电源A到Z》中,是这么描述这一情况的,并且还给出了相应的公式。

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