开关电源中RC缓冲电路的设计.docx

'fumxam开关电源中RC缓冲电路的设计在带变压器的开关电源拓扑中，开关管关断时，电压和电流的重叠引起的损耗是开关电源损 耗的主要部分，同时，由于电路中存在杂散电感和杂散电容，在功率开关管关断时，电路中 也会出现过电压并且产生振荡如果尖峰电压过高，就会损坏开关管同时，振荡的存在也 会使输出纹波增大为了降低关断损耗和尖峰电压，需要在开关管两端并联缓冲电路以改善 电路的性能缓冲电路的主要作用有：一是减少导通或关断损耗；二是降低电压或电流尖峰；三是降低 dV/dt或dl/dt由于MOSFET管的电流下降速度很 快，所以它的关断损耗很小虽然 MOSFET管依然使用关断缓冲电路，但它的作用不是减少关断损耗，而是降低变压器漏感尖 峰电压本文主要针对MOSFET管的关断缓冲电路来进行讨论1 RC缓冲电路设计在设计RC缓冲电路时，必须熟悉主电路所采用的拓扑结构情况图丨所示是由RC组成的正 激变换器的缓冲电路图中，当Q关断时，集电极电压开始上升到2Vdc，而电容C限制了 集电极电压的上升速度，同时减小了上升电压和下降电流的重叠，从而减低了开关管Q的 损耗而在下次开关关断之前，C必须将已经充满的电压2Vdc放完，放电路径为C、Q、R。

假设开关管没带缓冲电路，图1所示的正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同这样， 当Q关断瞬间，储存在励磁电感和漏感中的能量释放，初级绕组两端电压极性反向，正激 变换器的开关管集电极电压迅速上升到2Vdc同时，励磁电流经二极管D流向复位绕组， 最后减小到零，此时Q两端电压下降到Vdc图2所示是开关管集电极电流和电压波形可 见，开关管不带缓冲电路时，在Q关断时，其两端的漏感电压尖峰很大，产生的关断损耗 也很大，严重时很可能会烧坏开关管，因此，必须给开关管加上缓冲电路器为例）在图1中，当Q开始关断时，其电流开始下降，而变压器漏感会阻止这个电流的减小一部 分电流将继续通过将要关断的开关管，另一部分则经RC缓冲电路并对电容C充电，电阻R 的大小与充电电流有关Ic的一部分流进电容C,可减缓集电极电压的上升通过选取足够大的C,可以减少集电极 的上升电压与下降电流的重叠部分，从而显著降低开关管的关断损耗，同时还可以抑制集电 极漏感尖峰电压图3中的A-C阶段为开关管关断阶段，C-D为开关管导通阶段在开关管关断前，电容C两 端电压为零在关断时刻（B时刻），C会减缓集电极电压的上升速度，但同时也被充电到 2Vdc（在忽略该时刻的漏感尖峰电压的情况下）。

电容C的大小不仅影响集电极电压的上升速度，而且决定了电阻R上的能量损耗在Q关 断瞬间，C上的电压为2Vdc，它储存的能量为0. 5C（2Vdc）2焦耳如果该能量全部消耗在R 上，则每周期内消耗在R上的能量为：2沪 ⑴对限制集电极上升电压来说，C应该越大越好；但从系统效率出发，C越大，损耗越大，效 率越低因此，必须选择合适的C,使其既能达到一定的减缓集电极上升电压速度的作用， 又不至于使系统损耗过大而使效率过低在图3中，由于在下一个关断开始时刻（D时刻）必须保证C两端没有电压，所以，在B时刻 到D时刻之间的某时间段内，C必须放电实际上，电容C在C-D这段时间内，也可以通过 电阻R经Q和R构成的放电回路进行放电因此，在选择了一个足够大的C后，R应使C 在最小导通时间ton内放电至所充电荷的5%以下，这样则有：弘(如贏=(2匕订"治(2人) 二小(5%) *RC^3RC式⑴表明R上的能量损耗是和C成正比的，因而必须选择合适的C,这样，如何选择C就成 了设计RC缓冲电路的关键，下面介绍一种比较实用的选择电容C的方法事实上，当Q开始关断时，假设最初的峰值电流Ip的一半流过C,另一半仍然流过逐渐关 断的Q集电极，同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为Ip。

那么，通过选择合适的电 容C,以使开关管集电极电压在时间廿内上升到2Vdc(其中廿为集电极电流从初始值下降到 零的时间，可以从开关管数据手册上查询)，则有："C 2 T去故可得・C-^- 4l2 2^ 2 I仁因此，从式(1)和式⑶便能计算出电容C的大小在确定了 C后，而最小导通时间已知，这 样，通过式(2)就可以得到电阻R的大小2带RC缓冲的正激变换器主电路设计2. 1电路设计图4所示是一个带有RC缓冲电路的正激变换器主电路该主电路参数为：Np=Nr=43匝Ns=32 匝，开关频率f=70 kHz,输入电压范围为直流48〜96 V,输出为直流12 V和直流0. 5 ACt2K、】Cs3U2第熄冲戟感的正漑丸揍鬻主电瑞开关管Q为MOSFET，型号为IRF830，其廿一般为30 nsDI、D2、D3为快恢复二极管，其廿很小(通常tf=30 ns)本设计的输出功率P0=V0I0=6 W，假设变换器的效率为80%，每一路RC缓冲电路所损耗的^LKKNXDfn功率占输出功率的1%这里取Vdc=48 V2. 2实验分析下面分两种情况对该设计进行实验分析，一是初级绕组有缓冲，次级无缓冲；二是初级无缓 冲，次级有缓冲。

1) 初级绕组有缓冲，次级无缓冲该实验测量的是开关管Q两端的漏源电压，实验分以下两种情况： 第一种情况是RS1=1. 5 kQ CS1不定，输入直流电压Vdc为48 V其实验结果为：在RS1不变的情况下，CSl越大，虽然开关管Q的漏感尖峰电压无明显降低， 但它的漏源电压变得平缓了，这说明在初级开关管的RC缓冲电路中，CSl应该选择比较小的 值第二种情况是CSl=33 pF，RS1不定，输入直流电压Vdc为48 V其结果是：当CS1不变时， RS1越大，开关管Q的漏感尖峰电压越大(增幅比较小)可见，RC缓冲电路中，参数R的大小对降低漏感尖峰有很大的影响在选定一个合适的C， 同时满足式(2)时，R应该选择比较小的值2) 次级绕组有缓冲，初级无缓冲本实验以D2、D3的阴极作为公共端来测量快恢复二极管的端压，其结果是，当R不变时， C越大，二极管两端的漏感尖峰越小同时理论上，如果C为无穷大时，二极管两端的电 压中就没有漏感尖峰而在实际中，只需让二极管两端电压的漏感尖峰电压在其端压峰值的 30%以内就可以满足要求了，这样同时成本也 不会太高2. 3设计参数的确定通过实验分析可见，在次级快恢复二极管的RC缓冲电路中，当选择了适当大小的电容C时， 在满足式(2)的情况下，电阻R应该选择得越小越好。

最终经过实际调试，本设计选择的RC缓冲电路参数为：初级：RS1=200, CSI=100 pF次级：RS2=RS3=5I，CS2=CS3=1000 pF本设计的初级开关管的RC缓冲电路中的C值虽然选得稍微比计算值大一些，但损耗也不是 很大，因此还是可以接受的相对初级而言，次级快恢复二极管的RC缓冲电路中的C值就 选得比计算值大得多，系统的损耗必然增大但是，并联在快恢复二极管两端的RC缓冲电 路主要是为了改善系统输出性能，因此选择比较大的C值虽然会使系统的整体效率降低， 但二极管两端的漏感尖峰就减小了很多，而且输出电压的纹波也可以达到指定要求3结束语根据以上给出的公式，可以很好而且很方便地选择出合适的RC缓冲电路但是在工程应用 中，应该根据系统设计的性能指标，通过实际调试才能得到真正合适的参数有时候，为 了达到系统的性能指标，牺牲一定的效率也是必要的总之，在设计RC缓冲电路参数时， 必须综合考虑系统性能和效率，最终选择合适的RC参数。