對(duì)反激電源吸收電路設(shè)計(jì)方法的討論與思考

林 為，胡昌吉，馮澤君，李 姍，鄭 亞

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

開關(guān)電源的開關(guān)管工作在高頻通斷狀態(tài)，存在交流開關(guān)損耗。開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大[1]。同時(shí)，開關(guān)電源不可避免地存在儲(chǔ)能電感（或漏電感）和電容（或寄生電容），在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感儲(chǔ)存的能量要擇路釋放，將在電路中產(chǎn)生尖峰過電壓和振蕩現(xiàn)象。如果尖峰電壓過高，就會(huì)損壞開關(guān)管，振蕩也會(huì)使輸出紋波增大，從而影響系統(tǒng)的EMI性能。為了降低尖峰電壓，確保器件安全，降低損耗，改善電路性能，通常需要設(shè)計(jì)吸收電路。

除了專門用途的開關(guān)電源，如充電器、逆變器以及變頻器等，很多電子電氣系統(tǒng)或產(chǎn)品都需要給控制器提供輔助工作電源，作為弱電控制的能量源[2]。這種輔助電源具有功率小和輸出電源組數(shù)多的特點(diǎn)，此時(shí)反激式開關(guān)電源成為首選。反激電源的變壓器大都開了氣隙，漏感比較大，因漏感造成的尖峰電壓較高，因此吸收電路在電子電氣系統(tǒng)中很常用。

1 吸收電路原理概述

反激電源的吸收電路如圖1所示，二極管D、電容C以及電阻R構(gòu)成RCD吸收電路。開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)勵(lì)磁儲(chǔ)存能量，二極管D反偏截止，電容C通過電阻R放電。當(dāng)Q關(guān)斷的瞬間，變壓器所有繞組電壓反向，次級(jí)二極管導(dǎo)通，初級(jí)電感儲(chǔ)存的能量向負(fù)載傳遞，但漏感Lk屬于不耦合電感，無法通過次級(jí)釋放能量，必然在Q的漏極產(chǎn)生尖峰電壓，二極管D導(dǎo)通，漏感能量通過D對(duì)C充電，形成LC諧振[2]。

圖1 反激電源的吸收電路

開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，其DS兩端的電壓由直流輸入電壓Uin、次級(jí)感應(yīng)電壓UOR以及漏感產(chǎn)生的尖峰電壓Uspike疊加而成，即：

如果該電壓超過開關(guān)管額定耐壓，將會(huì)損壞開關(guān)管，因此需要限制這個(gè)電壓的峰值，使得它小于開關(guān)管的額定電壓[3]。

2 RCD吸收電路設(shè)計(jì)方法一

設(shè)計(jì)合理的吸收電路，電容C兩端的電壓如圖2所示。開關(guān)管Q斷開時(shí)，漏感Lk通過二極管D給電容C快速充電，電壓迅速上升，到達(dá)最大值后開始對(duì)R放電。Q再次開通時(shí)，電容電壓剛好降到次級(jí)反射電壓UOR附近。Q再次關(guān)斷前，電壓達(dá)到最小值，也就是說電容C只吸收漏感沖擊電壓Uspike，而不對(duì)Uin和UOR起作用，否則不僅增大電阻R的發(fā)熱，還會(huì)降低電源的效率。

圖2 吸收電路合理的電壓波形

因R阻值較大，開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，可近似認(rèn)為Lk與C發(fā)生串聯(lián)諧振，經(jīng)過1/4諧振周期電流反向，二極管D截止，這段時(shí)間很短，可認(rèn)為RC放電過程持續(xù)整個(gè)開關(guān)周期。

文獻(xiàn)[4]通過對(duì)電容放電過程做線性化處理，得到：

式中，Ucmax為電容充電獲得的最高電壓，Np和Ns分別為變壓器初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)，Vo為輸出電壓，Dmax為占空比最大值。

同時(shí)假設(shè)電容從Ucmax下降到UOR所用的時(shí)間為開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間，充電時(shí)間很短忽略不計(jì)，則利用電容的放電公式可得：

式中，T為開關(guān)周期。為了計(jì)算R和C的具體數(shù)值，在整個(gè)周期內(nèi)運(yùn)用RC放電公式得：

式中，Ucmin為開關(guān)管導(dǎo)通結(jié)束瞬間電容電壓的最小值。

再根據(jù)能量關(guān)系有：

式中，Lk為漏感，Ip為關(guān)斷時(shí)的開關(guān)管峰值電流，也是漏感的峰值電流。

將式（3）和式（4）代入式（5），得：

再結(jié)合式（3），得：

3 RCD吸收電路設(shè)計(jì)方法二

文獻(xiàn)[3]的研究者認(rèn)為，電容C兩端的電壓在一個(gè)周期內(nèi)從最大值USN（即本文提到的最大值Ucmax）下降到UOR，以此來計(jì)算理想的吸收電容最小值。

漏電感儲(chǔ)存的能量等于開關(guān)管斷開后電容吸收漏感能量后的總能量減去開關(guān)管關(guān)斷前電容的能量，即：

式中，U為電容的初始電壓，等于UOR，U+ΔU為電容的最大電壓，ΔU為一個(gè)周期內(nèi)電容兩端的壓差，即ΔU=Ucmax-UOR，最后得到：

為了在每個(gè)周期內(nèi)將吸收的能量全部釋放，設(shè)定開關(guān)周期T=(2～4)RC，可求得電阻值為：

4 兩種方法的討論與思考

上述兩種設(shè)計(jì)方法的共同點(diǎn)，都是從能量的角度出發(fā)，令電容吸能與釋能后的能量差等于漏感儲(chǔ)存的能量，計(jì)算電容的容量，但兩者采用的變量明顯不同。

方法一以占空比來計(jì)算R和C的值，其中研究者對(duì)電容的放電曲線進(jìn)行線性化處理，將電容充電時(shí)獲得的最大電壓表示為占空比Dmax的函數(shù)，得到式（2）。這個(gè)結(jié)果值得商榷，因?yàn)樵摴奖砻鳎伎毡仍叫。琔cmax反而越大。原理上，在其他電路參數(shù)不變的條件下，Ucmax正比于漏感儲(chǔ)存的能量，也就是初級(jí)峰值電流Ip，而Ip與開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間ton成正比，占空比越大，理應(yīng)Ucmax也越大。由此可見，這種線性化處理可能帶來較大偏差。

另外，為了計(jì)算R和C的取值，需在最大占空比Dmax的條件下來確定RC值。筆者認(rèn)為此處應(yīng)采用最小占空比Dmin，原因是如果占空比再減小，次級(jí)導(dǎo)通時(shí)間toff增加，電容電壓在開關(guān)管再次導(dǎo)通前已下降到UOR，二極管D會(huì)再次導(dǎo)通，吸收電路將消耗磁芯能量，降低電源效率。

方法二以電容的初始電壓U以及電壓變化量ΔU來計(jì)算電容值，見式（8）。研究者認(rèn)為開關(guān)管關(guān)斷瞬間電容承受的電壓為USN，即最大值Ucmax，到下次關(guān)斷時(shí)電壓為UOR，并以此來計(jì)算電容的能量差以及電容值。筆者認(rèn)為，開關(guān)管再次關(guān)斷時(shí)，電容的電壓并非UOR。參考圖2，在toff的下降沿（即關(guān)斷結(jié)束時(shí)刻），電容電壓uc下降到UOR附近，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管D關(guān)斷，C繼續(xù)通過R放電，電壓繼續(xù)下降，在開關(guān)管再次關(guān)斷前到達(dá)最小值Ucmin。開關(guān)管每次關(guān)斷時(shí)，電容電壓是從Ucmin開始上升，而不是UOR。Ucmin是個(gè)未知數(shù)，工程上可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)預(yù)設(shè)值來計(jì)算電容量，再進(jìn)行調(diào)試獲得最佳效果。

實(shí)踐中常用的設(shè)計(jì)方法是計(jì)算最大輸入電壓Uinmax，根據(jù)所選開關(guān)管的耐壓，并預(yù)留裕量。確定安全的電壓峰值（振鈴高度）Udsmax，計(jì)算次級(jí)反射電壓UOR，根據(jù)Ucmax=Udsmax-Uinmax-UOR確定電容峰值電壓。開關(guān)管再次關(guān)斷前，設(shè)定一個(gè)放電終止電壓Ucmin，即可根據(jù)方法二計(jì)算吸收電容C的容量。容量確定后，根據(jù)電容的放電公式計(jì)算電阻R的值，其功率應(yīng)大于計(jì)算值的兩倍。

理論設(shè)計(jì)完成后，通過實(shí)際調(diào)試，獲得最佳的吸收電路參數(shù)，這是因?yàn)槲针娐芬纳频牟ㄐ沃饕怯呻娐返募纳餥5]。調(diào)試時(shí)，應(yīng)遵循先低壓后高壓，再由輕載到重載的原則。

5 結(jié) 論

對(duì)反激電源來說，吸收電路屬于優(yōu)化電路。為了降低芯片或開關(guān)管損壞風(fēng)險(xiǎn)，降低器件選型成本，實(shí)踐中廣泛使用吸收電路。吸收電路有多種設(shè)計(jì)方法，核心都是從能量的角度出發(fā)，令電容吸能與釋能后的能量差等于漏感儲(chǔ)存的能量，來計(jì)算電容的容量。然而吸收電路的設(shè)計(jì)還要與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，而不是單純進(jìn)行理論計(jì)算，只有通過實(shí)際調(diào)試，才能獲得最佳的吸收電路參數(shù)。