1基本原理分析

由于變壓器漏感的存在，反激變換器在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電壓，使得開關(guān)管承受較高的電壓應(yīng)力，甚至可能導(dǎo)致開關(guān)管損壞。因此，為確保反激變換器安全可靠工作，必須引入鉗位電路吸收漏感能量。鉗位電路可分為有源和無源鉗位電路兩類，其中無源鉗位電路因不需控制和驅(qū)動(dòng)電路而被廣泛應(yīng)用。在無源鉗位電路中，RCD鉗位電路因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低而倍受青睞。

RCD鉗位電路在吸收漏感能量的時(shí)候，同時(shí)也會(huì)吸收變壓器中的一部分儲(chǔ)能，所以RCD鉗位電路參數(shù)的選擇，以及能耗到底為多少，想要確定這些情況會(huì)變得比較復(fù)雜。對(duì)其做詳細(xì)的分析是非常必要的，因?yàn)樗P(guān)系到開關(guān)管上的尖峰電壓，從而影響到開關(guān)管的選擇，進(jìn)而會(huì)影響到EMI，并且，RCD電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)對(duì)效率造成影響，而過多的能量損耗又會(huì)帶來溫升問題，所以說RCD鉗位電路可以說是很重要的部分。

反激變換器RCD 鉗位電路的能量轉(zhuǎn)移過程可分成5 階段，詳細(xì)分析如下：

1)t0-t1階段。開關(guān)管T1導(dǎo)通，二極管D1、D2因反偏而截止，鉗位電容C1通過電阻R1釋放能量，電容兩端電壓UC下降;同時(shí)，輸入電壓Ui加在變壓器原邊電感LP兩端，原邊電感電流ip線性上升，其儲(chǔ)能隨著增加，直到t1時(shí)刻，開關(guān)管T1關(guān)斷，ip增加到最大值。此階段變換器一次側(cè)的能量轉(zhuǎn)移等效電路如圖2(a)所示。

2)t1-t2階段。從t1時(shí)刻開始，開關(guān)管進(jìn)入關(guān)斷過程，流過開關(guān)管的電流id 開始減小并快速下降到零;同時(shí)，此階段二極管D2仍未導(dǎo)通，而流過變壓器原邊的電流IP首先給漏源寄生電容Cds恒流充電(因LP很大)，UDS快速上升(寄生電容Cds較小)，變壓器原邊電感儲(chǔ)存能量的很小一部份轉(zhuǎn)移到Cds;直到t2時(shí)刻，UDS 上升到Ui+Uf(Uf為變壓器副邊向原邊的反饋電壓)。此階段變換器一次側(cè)的能量轉(zhuǎn)移等效電路如圖2(b)所示，鉗位電容C1繼續(xù)通過電阻R1釋放能量。

3)t2-t3階段。t2時(shí)刻，UDS上升到Ui+Uf后，D2開始導(dǎo)通，變壓器原邊的能量耦合到副邊，并開始向負(fù)載傳輸能量。由于變換器為穩(wěn)壓輸出，則由變壓器副邊反饋到原邊的電壓Uf=n(Uo+UD)(Uo為輸出電壓，UD為二極管D2導(dǎo)通壓降，n為變壓器的變比)可等效為一個(gè)電壓源。但由于變壓器不可避免存在漏感，因此，變壓器原邊可等效為一電壓源Uf和漏感Llk串聯(lián)，繼續(xù)向Cds充電。直到t3時(shí)刻，UDS上升到Ui+UCV(UCV的意義如圖1(b)所示)，此階段結(jié)束。此階段變換器一次側(cè)的能量轉(zhuǎn)移等效電路如圖2(c)所示，鉗位電容C1依然通過電阻R1釋放能量。由于t1-t3階段持續(xù)時(shí)間很短，可以認(rèn)為該階段變壓器原邊峰值電流IP對(duì)電容Cds恒流充電。

4)t3-t4階段。t3時(shí)刻，UDS 上升到Ui+UCV，D1開始導(dǎo)通，等效的反饋電壓源Uf與變壓器漏感串聯(lián)開始向鉗位電容C1充電，因此漏源電壓繼續(xù)緩慢上升(由于C1的容量通常比Cds大很多)，流過回路的電流開始下降，一直到t4時(shí)刻，變壓器原邊漏感電流ip下降到0，二極管D1關(guān)斷，開關(guān)管漏源電壓上升到最大值Ui+UCP(UCP的意義如圖1(b)所示)。此階段變換器一次側(cè)的能量轉(zhuǎn)移等效電路如圖2(d)所示。

5)t4-t5階段。t4時(shí)刻，二極管D1已關(guān)斷，但由于開關(guān)管漏源寄生電容Cds的電壓UDS=Ui+UCP>Ui，將有一反向電壓加在變壓器原邊兩端，因此，Cds與變壓器原邊勵(lì)磁電感Ls及其漏感Llk開始諧振，其能量轉(zhuǎn)移等效電路如圖2(e)所示。諧振期間，開關(guān)管的漏源電壓UDS逐漸下降，儲(chǔ)存于Cds中的能量的一部份將轉(zhuǎn)移到副邊，另一部分能量返回輸入電源，直到t5時(shí)刻諧振結(jié)束時(shí)，漏源電壓UDS穩(wěn)定在Ui+Uf。由于此階段二極管D1關(guān)斷，鉗位電容C1通過電阻R1放電，其電壓UC將下降。結(jié)合圖1和圖2進(jìn)行分析可知：如果反饋電壓大于鉗位電容電壓，則在整個(gè)開關(guān)關(guān)斷期間，回饋電壓一直在向RCD鉗位電路提供能量，而該能量最終將被電阻R1消耗，因而將產(chǎn)生巨大的損耗。

以上的分析是西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院劉樹林教授于2010年發(fā)表在點(diǎn)擊工程學(xué)報(bào)上的一篇關(guān)于RCD鉗位電路的論文。

他的分析很詳細(xì)，也很直觀，也都是對(duì)的。是我在網(wǎng)絡(luò)上能找到的最好的關(guān)于RCD鉗位電路的分析。我也參考了PI與仙童公司給出的設(shè)計(jì)參考，以及網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)友歸納的一些觀點(diǎn)與計(jì)算公式。但是我必須說，這些參考文獻(xiàn)給出的計(jì)算方法，沒有一個(gè)是可以直接應(yīng)用的，至少在這個(gè)使用ssl4101t的電源方案中，計(jì)算值與實(shí)際值出入非常大。

2元件參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

下面我說下，我參考了各種資料以及自己分析出的一種計(jì)算方法。

流入鉗位電路的能量在傳遞到RCD鉗位電路后，所有的文獻(xiàn)都說，漏感能量損耗在了電阻R上，可以這么說，但是如果以這個(gè)為依據(jù)對(duì)鉗位電阻的阻值進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，這樣的做法是不對(duì)的，因?yàn)椋@樣計(jì)算出來的電阻值不能保證，鉗位電路上的電壓波動(dòng)在預(yù)想的范圍內(nèi)，范圍波動(dòng)的變化會(huì)影響到計(jì)算時(shí)所預(yù)計(jì)的箝位電壓值，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)完全失敗。所以電阻值的計(jì)算只有一個(gè)依仗，就是RC一階電路的理論，在前面已經(jīng)介紹了。這個(gè)電阻值的設(shè)計(jì)在于一個(gè)周期所期望的壓降，這個(gè)壓降由RC緩沖電路的放電速度限定。而當(dāng)電阻的阻值并非由功率設(shè)定時(shí)，那么電阻上的功率只由電阻的上的壓降以及其阻值決定。

從能量上考慮，RCD鉗位電路必然要吸收漏感的能量，但是，這個(gè)漏感能量在傳遞到RCD鉗位電路之前，是有損耗的，損耗在于MOS管的輸出電容上，也就是Coss，因?yàn)椋└心芰恳冉o它充能，使得它兩端的電壓能達(dá)到鉗位電路的鉗位電壓，達(dá)到了鉗位電壓后，二極管才會(huì)導(dǎo)通，接著才是漏感能量向鉗位電路傳遞能量，但是在MOS管輸出電容上損耗的能量是非常小的，大概在漏感能量的3%左右，所以可以忽略不計(jì)。還有一點(diǎn)非常重要，漏感電流在流入鉗位電路的過程中，反射電壓會(huì)對(duì)其做功，在上面的等效圖上，看上去反射點(diǎn)呀是不會(huì)對(duì)漏感電流做功的，但是實(shí)際的情況是，初級(jí)漏感并非是在初級(jí)電感之后的小尾巴，它存在于初級(jí)電感的每一處，所以反射電壓是確確實(shí)實(shí)的加在了漏感身上，那么當(dāng)漏感激發(fā)出電流時(shí)，反射電壓就會(huì)對(duì)其做功。在《開關(guān)電源A到Z》中，是這么描述這一情況的，并且還給出了相應(yīng)的公式。

一次繞組與漏感串聯(lián)，故較短時(shí)間內(nèi)，漏感一直都在試圖復(fù)位。變壓器一次繞組被迫跟著變化并且連續(xù)提供此串聯(lián)電流，通過齊納管續(xù)流。雖然可以肯定一次繞組總是試圖通過二次側(cè)續(xù)流，但一部分能量還是被轉(zhuǎn)入齊納管鉗位電路，直到漏感完全復(fù)位。換句話說，一次電感中有些能量被串聯(lián)的漏感“迅速拿走”，并連同漏感本身所具有的的能量，一起通過齊納管電路續(xù)流。(P94)

從4-11式可以看出，選定的鉗位電壓值越小，越接近反射電壓，那么損耗的功率也就越大，而當(dāng)選擇的鉗位電壓值越大，損耗的功率也就越小，但是這時(shí)候MOS管兩端的電壓尖峰也就越高，因?yàn)槿粢O管關(guān)斷截止，那么MOS管D極的電壓值必須要等于鉗位電容上的鉗位電壓最大值。

而在實(shí)際使用這個(gè)公式去計(jì)算的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，那就是，計(jì)算的能量值與實(shí)際流入RCD鉗位電路的能量值相比，計(jì)算值明顯大了不少，也就是說，并非所有的損耗能量都進(jìn)入了鉗位電路，很大一部分消耗在別的元件器件上以及寄生參數(shù)上，還有一部分回饋給了電網(wǎng)。

在PI公司給的鉗位電路設(shè)計(jì)參考中，對(duì)這一點(diǎn)有所提及。具體情況如下：

PI公司將不同功率的電源，鉗位電路中所消耗的能量進(jìn)行了劃分。在這個(gè)案例中輸出功率是大于90w的，但是實(shí)際情況并非PI所預(yù)計(jì)的。

下面給出這個(gè)案例中，電阻使用100千歐，電容2.2納法，二極管為ESIJ，反向恢復(fù)速度為35納秒的超快速二極管的實(shí)測(cè)鉗位電路波形。

以及相對(duì)應(yīng)的MOS管兩端電壓波形：

以及，使用500ns回復(fù)時(shí)間的GROMA二極管時(shí)鉗位電容的波形：

使用GROMA時(shí)，MOS兩端電壓波形：

下面再給出，當(dāng)負(fù)載為空載時(shí)，鉗位電容上的波形：

如上各圖所示，對(duì)于2.2納法，100千歐的RC組合，測(cè)試的結(jié)果是從173v到145v，那么就可以計(jì)算其中所蘊(yùn)含的能量，大概為理論計(jì)算的0.7倍，經(jīng)過多次試驗(yàn)，不同的RC組合驗(yàn)證，這個(gè)理論與實(shí)際之間的系數(shù)大概在0.6到0.7.

下面根據(jù)系數(shù)0.7，設(shè)計(jì)一個(gè)從155V下降到135V的RC組合，利用前面給出的公式，先根據(jù)下降的幅度，計(jì)算出所需RC值，再通過4-11計(jì)算出理論能量值，并計(jì)算出大概的實(shí)際值，再由公式4-4計(jì)算出所需的電容值，再由之前計(jì)算的RC值求出電阻值。得出結(jié)果為4.6納法和24千歐。

下面給出使用4.7納法，30千歐的RC組合得出的波形圖，電阻適當(dāng)增加，是對(duì)在二級(jí)管導(dǎo)通瞬間，瞬間流出鉗位電路能量的一種適當(dāng)補(bǔ)償。

再給出對(duì)應(yīng)的MOS管兩端電壓：

3注意事項(xiàng)

3.1二極管的選擇

在這個(gè)電源案例里，使用的二極管為GROMA，反向恢復(fù)時(shí)間為500ns。二極管在反向恢復(fù)完成前，它的正反向都是相當(dāng)于導(dǎo)通狀態(tài)的，這在RCD鉗位電路里，會(huì)造成一種情況，就是充入鉗位電路里的能量會(huì)迅速的在反向恢復(fù)完成前流出來(這時(shí)候，可以認(rèn)為漏感與鉗位電容產(chǎn)生了震蕩，而且頻率非常高，可以計(jì)算出來)，逸散在電路的寄生參數(shù)與其他元件上，也有一部分會(huì)返還給電網(wǎng)，提升了效率。同時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管比反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的二極管的等效電阻與寄生電容小，所以，使用相對(duì)慢一些的二極管會(huì)對(duì)漏感能量起到一種消耗作用，這減小了漏感尖峰。但是，慢一些的二極管，會(huì)讓本來預(yù)計(jì)好的鉗位電壓值下滑，箝位電壓值下滑在前面的分析中已經(jīng)說明，這會(huì)讓漏感電流從變壓器中抽取更多的能量。

而著意使用較慢的二極管這種設(shè)計(jì)方法由來已久，在網(wǎng)上對(duì)其效果的討論表明很多電源很多工程師都是采用這種方法的。但是在PI給出的設(shè)計(jì)參考中，特別提到了這種設(shè)計(jì)方法，它給出的建議是，除非在很肯定的情況下，不然絕對(duì)不要使用慢速的二極管，而且，我相信，使用快管還是慢管也一定與整個(gè)電源的輸出功率有關(guān)系。

快管與慢管的區(qū)別還在于，雖然，慢管的使用讓MOS管上的漏感尖峰小了一些(在這個(gè)案例中，減小了大概10V)。但是它會(huì)讓RCD鉗位電路中的二極管與電容兩端的電壓幾乎呈筆直的波動(dòng)一個(gè)比較寬的電壓范圍，這對(duì)于EMI的影響也不得而知。

3.2 阻尼電阻的設(shè)置

在RCD鉗位電路中，有兩種阻尼電阻的設(shè)置方式，分別是與電容C串聯(lián)，和與RC串聯(lián)，在PI給出的設(shè)計(jì)參考中，給出了以下的公式：