開關電源的緩沖電路設計

摘要:隨著開關電源工作頻率的提高，開關器件承受很大的熱量和電應力，從而形成過電壓。為此，常常需要設置各種緩沖電路對其進行抑制。重點分析比較了三種緩沖電路，并指出了各自的特點及設計要點。RCD緩沖電路的箝位電壓隨電阻減小而減小，但損耗增大;LCD緩沖電路的LC諧振頻率要求小于開關頻率;能量回饋緩沖電路的箝位電壓較低，不需要額外的電感。最后，給出了LCD 緩沖電路的設計結果，實現了無損耗箝位。

關鍵詞:開關電源緩沖電路無損耗箝位能量回饋

中圖分類號：TM6文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)03(a)-0068-01

1 引言

隨著電力電子技術的發展，開關電源正趨向于小型化和輕量化。為了減小電源的體積和重量，提高開關頻率是最可行的方法。然而，隨著開關頻率的提高，開關損耗也越來越大，帶來了效率降低和發熱嚴重的問題。目前，有很多種方法可以實現緩沖吸收的目的。總體上主要通過兩種方法:一是減小漏電感;二是耗散過電壓的能量，或者使能量反饋回電源中。減小漏感主要靠工藝;耗散過電壓的能量通過與變壓器或者開關管并聯的緩沖電路;能量反饋回電源則采用附加的線圈(電感)和定向二極管。

2 RCD 緩沖電路

RCD緩沖電路以其結構簡單、成本低廉的特點而得以廣泛應用。但是，由于RCD 緩沖電路的箝位電壓會隨著負載的變化而變化，如果參數設計不合理，該電路會降低系統的效率，或者達不到箝位要求，而使開關管損壞。常用的RCD箝位電路如圖所示，包含箝位電容C、耗散電阻R和二極管D。

2.1 RCD緩沖電路

當開關管導通時，輸入電壓V in加在變壓器繞組上，由于二極管反向偏置，阻止箝位電容的放電，所以VC≈0。當開關管關斷時，變壓器漏感中的能量給開關管的漏源極間電容和電路中的其他雜散電容充電，直到漏源電壓達到Vin，二極管導通，箝位電容電壓逐漸上升，即漏源電壓也逐漸上升，而且箝位在2Vin數值。在剩余時間里，隨著電阻放電電流減小，電容的電壓會返回到原來值，多余的能量被電阻消耗。在穩態工作時，因為箝位電容的電壓會自動調整，直到多余的能量消耗在電阻上。CD緩沖電路最簡單，成本最低，可降低開關管的電壓應力，但其損耗較大，箝位電壓依賴于變換器的輸出電流，與輸入電壓無關，會隨電阻減小而減小，但損耗增大。在實際電路設計中，應觀察各種輸入電壓及負載情況下的箝位電壓波形，同時還要考慮元器件的選型是否合理。比如，耗散電阻的功率選擇應考慮1/3降額使用，箝位電容應選擇具有低串聯等效電阻和低等效電感的電容，二極管應選擇反向擊穿電壓高于開關管的漏源擊穿電壓，且反向恢復時間盡可能短的超快恢復二極管。

2.2 LCD緩沖電路

LCD緩沖網絡，由L、C、D1和D2組成。LCD緩沖電路不但能夠將變壓器的漏感能量反饋回電網，而且能夠有效地抑制開關管關斷時由漏感能量造成的電壓尖峰。如果LC諧振頻率遠大于開關頻率，在開關管導通和關斷期間，箝位電容的極性將不斷改變。開關管關斷時，其漏極電壓開始上升，D1導通，電容將進行充電，減緩了漏極電壓上升的速度，I為開關管關斷時初級繞組流過的電流，V ref為輸出反射電壓，L kp 為變壓器初級繞組漏感。開關管導通后，箝位電容通過Q、L和D2進行放電。L、D2和C 產生諧振，大約半個振蕩周期后，以電壓形式儲存在電容上的能量轉變為電流形式，儲存在電感中，電容的電壓極性改變，充電到V in。在下半周期內，L1上端電壓繼續升高，即電容兩端電壓大于V in，D1導通，儲存在電感中的剩余能量通過D1返回電網。在這種工作狀態下，箝位電容C的電壓與輸入電壓無關，依賴于負載電流的大小。由于LC諧振頻率非常高，電容C的值不能設計得過大，因此，在重載條件下，箝位電壓遠大于輸出反射電壓(通常為Vref的2～4 倍)。如果LC諧振頻率小于電路開關頻率， 開關管導通期間，箝位電容儲存的能量通過LC振蕩，只有一小部分傳遞到電感。開關管關斷后，電感中的能量通過D1和D2返回電網。箝位電容的電壓極性不會發生改變。電容值如果足夠大，在整個開關周期內，電容電壓的微小變化將忽略不計。在穩定狀態下，達到能量平衡后由于變壓器漏感遠小于初級電感，箝位電容電壓與輸出反射電壓緊密相關，因此，選擇一個合適電感，箝位電容的電壓將對輸入電壓的依賴很小，并且箝位電壓可維持在比輸出反射電壓略高的一個值上，基本與輸入電壓無關。在寬輸入電壓情況下，LCD緩沖電路的箝位電壓非常低，接近于輸出反射電壓，不隨負載電流而變化，且無損耗，但需額外提供一個電感，其值需與變壓器初級電感匹配，以減小開關管電流應力。在實際電路設計中，為了減緩開關管漏極電壓上升速率，LC諧振頻率應小于開關頻率，電容應足夠大。

3 能量回饋緩沖電路

能量回饋緩沖電路可以得到低的箝位電壓，并且無損耗。這種方法要求變壓器額外繞制一個繞組Nr，與正激變換器的能量回饋線圈比較相似，比LCD緩沖電路少一個元件。當開關管關斷時，變壓器的初級電流初始時通過D1和C傳導，開關管電壓為Vin+Vc，D2反向偏置，箝位繞組中無電流流過，漏感的能量暫時儲存在電容中。假設電容C足夠大，電壓在每個周期中均保持不變。開關管導通時，變壓器初級電感充電， 開始時，電容通過箝位繞組對其充電，直到電容電壓降到輸出反射電壓為止。然后， 再通過輸入電壓源對初級電感進行充電。開關管導通后，D1反向偏置，電容的電壓基本與箝位繞組一致。箝位電壓依賴于箝位繞組的匝數，它必須大于輸出反射電壓，以便將能量傳遞到次級，否則，能量將傳遞到電容C。開關管電壓由箝位繞組的匝數決定，與漏感或者負載電流無關，但隨輸入電壓變化而改變較大。能量回饋緩沖電路的箝位電壓較低，且不會產生損耗，不需要額外的磁芯，只需在變壓器中多繞制一個繞組，開關管電流應力小于LCD緩沖電路。箝位電容兩端的電壓波形從下圖可以看出，在開關管開通時，開關管電壓迅速下降;在開關管關斷時，開關管電壓緩慢上升，有效地降低了開關損耗。開關管關斷時，開關管上沒有出現大的浪涌電壓，開關管電壓被有效地箝位，因而開關管上的電壓應力較小。在關斷的瞬態過程中，開關管電壓有一個小的振蕩過程，這是由于輸出整流二極管的反向恢復而產生的。測試結果表明，LCD緩沖電路不但能將變壓器的激磁能量反饋回電網，而且能有效地抑制開關管關斷時的電壓尖峰，電源整體轉換效率較高，大于86%，實現了無損耗箝位。

4 結語

本文分析了RCD緩沖電路、LCD緩沖電路和能量回饋緩沖電路，并進行了比較。RCD緩沖電路是一種低能耗緩沖電路，目的是耗散過電壓的能量。LCD緩沖電路和能量回饋緩沖電路均能有效地降低開關管的尖峰電壓，并能將變壓器漏感所儲存的能量全部返回到輸入電源，大大提高了電源的轉換效率。開關電源的緩沖電路還有其他設計方法。在實際應用中，需要根據電路的特點和要求，選擇合適的緩沖電路，還可以將多種方法整合到一起，進一步降低開關管的開關損耗和過電壓尖峰，提高開關電源的性能和可靠性。