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第五講:RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例

發(fā)布時(shí)間:2012-12-16 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責(zé)任編輯:hedyxing

【導(dǎo)讀】臨近歲末,《電子元件技術(shù)網(wǎng)》為培養(yǎng)社區(qū)頂級(jí)設(shè)計(jì)工程師而精心打造的造星平臺(tái)---大講臺(tái)將為大家?guī)硪徊ㄓ忠徊ǖ捏@喜,最新推出的是社區(qū)技術(shù)專家陶顯芳老師傾情打造的最新賀歲力作:單激式開關(guān)電源漏感與分布電容對(duì)輸出波形的影響,以及RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)的計(jì)算實(shí)例。本站將分五講為大家披露單激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)訣竅。

反激式開關(guān)變壓器的漏感一般都比較大,漏感與初級(jí)線圈電感之比,大多數(shù)都在2~5%之間。漏感的大小主要與變壓器初、次級(jí)線圈的繞法、鐵芯和骨架的結(jié)構(gòu),以及氣隙大小等參數(shù)有關(guān),還與磁通密度取值的大小有關(guān),因?yàn)榇磐芏热〉迷酱螅瑢?dǎo)磁率就會(huì)越小,漏感相對(duì)也要增大。漏感小于2%或大于15%的開關(guān)變壓器,其結(jié)構(gòu)一般都比較特殊。

開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感量的大小,主要與開關(guān)電源的工作頻率有關(guān),還與工作電壓和輸出功率的大小有關(guān)。一般輸出功率越大,工作頻率就越低,電感量相應(yīng)也要增大;而工作電壓越高,電感量也越大。一般工作頻率為30~50kHz,工作電壓為AC110V~220V的開關(guān)變壓器,其初級(jí)線圈的電感量大約為:300~1000微亨,漏感大約為:10~100微亨;計(jì)算時(shí),可按3~6%的比例來取值進(jìn)行估算。例如:L=1000uH,則可取 Ls = 30~60uH。

開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感L和漏感Ls的大小可以用儀表直接測(cè)量。測(cè)量開關(guān)變壓器初級(jí)線圈漏感的最簡單方法是把開關(guān)變壓器次級(jí)線圈兩端短路,然后再測(cè)量開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感,即漏感。不過測(cè)量時(shí)不要選擇測(cè)試頻率太高,因?yàn)殚_關(guān)變壓器初級(jí)線圈的分布電容對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。
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尖峰脈沖吸收電容器容量的計(jì)算

要計(jì)算尖峰脈沖吸收電容器容量,首先要計(jì)算流過變壓器初級(jí)線圈電流的最大值。計(jì)算流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。根據(jù)(26)式,當(dāng)輸出功率一定時(shí),輸入電壓在一定的范圍內(nèi),流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im和輸出電壓Uo基本是穩(wěn)定的;變壓器初、次級(jí)線圈反激輸出電壓的半波平均值也基本是穩(wěn)定的,與輸入電壓的大小無關(guān),但對(duì)應(yīng)不同的輸入電壓必須對(duì)應(yīng)不同的占空比,參看(41)、(42)式。

當(dāng)流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的最大電流確定之后,尖峰脈沖吸收電容器容量以及電容充電時(shí)電壓增量的數(shù)值就可以按(33)~(36)式進(jìn)行計(jì)算。

在實(shí)際應(yīng)用中,電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量的數(shù)值,與開關(guān)管的耐壓BVm的參數(shù)大小有關(guān)。假設(shè)電源開關(guān)管的耐壓BVm為650V,如果預(yù)留20%的余量,那么,正常工作時(shí),加到開關(guān)管D-S極之間的最高脈沖電壓只能達(dá)到520Vp。而在520Vp的電壓之中,電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量(等于)這一項(xiàng)是要首先考慮的。假設(shè)等于電壓的20%,即:=104V,當(dāng)最高輸入電壓為360V時(shí)(對(duì)應(yīng)交流輸入電壓為AC253V),根據(jù)(39)式可求得:

假設(shè)漏感與開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感L的比值K為5%,根據(jù)(42)式可求勵(lì)磁電感產(chǎn)生的反擊輸出電壓的半波平均值為:

大多數(shù)反激式開關(guān)電源的最大輸出功率都在100W一下,因?yàn)橛糜诜醇な介_關(guān)電源功率損耗大于10W的電源開關(guān)管種類很少,如需要較大的輸出功率,一般都選用半橋式或全橋式雙激式開關(guān)電源。

假設(shè)開關(guān)電源的最大輸出功率為50W,當(dāng)占空比D = 0.5時(shí),變壓器初級(jí)線圈的反激輸出電壓的半波平均值與輸入電壓U相等,即,=U=108V,=102.6V,而流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im等于平均電流的4倍,由此可求得最大輸入電流Im = 1.95A ;假設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量L=1000uH,漏感Ls = 50uH。把這些參數(shù)代入(34)式,可求得:

當(dāng)考慮電阻R對(duì)電容器C充電的分流作用,以及開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間,漏極電流對(duì)電容器C充電的分流作用時(shí),根據(jù)(36)式,假設(shè)分流系數(shù)r = 0.5 ,則(52)式還可改寫為:

上面(52)和(53)式的計(jì)算結(jié)果,可作為對(duì)RCD尖峰脈沖吸收電路進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),選擇電容器容量的上限和下限,最終結(jié)果需要通過電路試驗(yàn)來決定。

試驗(yàn)時(shí),以輸入電壓和輸出功率的最大值為條件,然后,由大到小,選擇不同容量的電容器做試驗(yàn),用示波器觀測(cè)電源開關(guān)管D-S兩端的電壓,直到Uds與最高耐壓BVm兩者之差能滿足余量要求時(shí),為最佳結(jié)果。

這里順便說明一下,為什么(53)式中的分流系數(shù)取值為0.5,而不是其它數(shù)值。因?yàn)?,分流系?shù)r的取值范圍是0~1,它是一個(gè)動(dòng)態(tài)系數(shù),它的大小,除了與輸入電壓和輸出功率和RCD電路中電容、電阻的大小有關(guān)外,還與開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間,以及電流大小有關(guān)系。

尖峰脈沖吸收電阻阻值的計(jì)算

紋波電壓的大小與釋放電阻R的大小還有關(guān)。一旦電容器的容量確定之后,釋放電阻R的大小就可以根據(jù)(45)~(49)來計(jì)算。根據(jù)(38)式,電容器兩端最高電壓為:

根據(jù)(46)式,電容器兩端最低電壓為:

把(54)和(55)式的結(jié)果代入(49)式,即可求出RC的值:


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當(dāng)RC的值與開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton完全相等時(shí),(46)式的值正好等于0.37,與(56)式的結(jié)果非常接近。或者當(dāng)紋波電壓=100V時(shí),由(56)式計(jì)算得到的結(jié)果正好等于0.37,兩者誤差小于4%,因此,可以認(rèn)為RC的值與開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton完全相等,以此為條件來計(jì)算RC的值。即:

把由(52)和(53)式求出電容器C的結(jié)果,以及根據(jù)(25)式求出的Ton值,代入(57)式后即可求出電阻R的值。

由于,當(dāng)占空比D小于0.5時(shí),流過電感線圈的電流出現(xiàn)斷流(平均值),這也會(huì)對(duì)分流系數(shù)產(chǎn)生很大的影響,使計(jì)算非常復(fù)雜;為了簡單,我們?cè)谟?jì)算開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton時(shí),還是以占空比等于0.5為例。

當(dāng)占空比等于0.5時(shí),對(duì)應(yīng)的輸入電壓U為108V,對(duì)應(yīng)的最大電流Im為1.95A,假設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量L=1000uH,根據(jù)(25)式,可求得Ton的值為:

把(53)、(58)式的計(jì)算結(jié)果:C = 4395P,Ton = 18uS ,代入(57)式:

即:計(jì)算結(jié)果為:C = 4395P ; R = 4096 歐姆。

試驗(yàn)結(jié)果表明,(53)和(59)式的計(jì)算結(jié)果是合理的。當(dāng)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的漏感為5%時(shí),其反激輸出電壓的平均功率也為5%(Pa = 2.5W);由于電容器C兩端電壓的半波平均值為108V,當(dāng)漏感輸出的功率完全被電阻R吸收時(shí),電阻R的最佳值為4.7K,而根據(jù)(59)式計(jì)算的結(jié)果為4096 ?(2.85W),與精確值2.5瓦相差0.35W。這正是把(36)式設(shè)為電容器取值范圍下限,對(duì)應(yīng)(53)和(59)所求得的結(jié)果,即由(59)所求得的結(jié)果還是一個(gè)保守的結(jié)果,但其離精確值已經(jīng)非常近。由此可知,要提高開關(guān)電源工作效率,必須要降低開關(guān)變壓器的漏感。

當(dāng)輸入電壓為最大值(AC260V)的時(shí)候,其占空比大約只有0.3左右,因此,電容器充電的時(shí)間要比放電的時(shí)間長很多;但在電容器還充電期間變壓器初級(jí)線圈會(huì)出現(xiàn)斷流,這相當(dāng)于電容器會(huì)提前放電,其結(jié)果與占空比等于0.5時(shí)的結(jié)果基本相同。但做試驗(yàn)時(shí),最好還是以輸入電壓為最大值時(shí)為準(zhǔn)。如電阻R的值取得小些,相當(dāng)于分流系數(shù)r降低,這對(duì)降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗是有好處的,因?yàn)?,開關(guān)變壓器漏感儲(chǔ)存的磁能量,一部分是通過開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的損耗來釋放的,另一部分則是通過RCD回路中的電容充電和電阻分流來進(jìn)行釋放;但電阻的阻值取得太小,又會(huì)從勵(lì)磁電感線圈吸收能量,降低開關(guān)電源的工作效率。

在反激式開關(guān)電源中,很多人用一個(gè)穩(wěn)壓二極管來代替RCD電路中的電阻和電容,用以對(duì)開關(guān)管進(jìn)行過壓保護(hù),如圖8所示。從原理上來說,這種方法對(duì)開關(guān)管的過壓保護(hù)是有效的,但實(shí)踐證明,這種保護(hù)方法可靠性很差。因?yàn)?,?dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),1.95A(以上面計(jì)算結(jié)果為例)的電流流過150~200V的穩(wěn)壓二極管,其產(chǎn)生的瞬時(shí)功率高達(dá)290~390W,這么大的瞬時(shí)功率很容易使穩(wěn)壓二極管局部損傷,當(dāng)損傷程度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)后,就會(huì)產(chǎn)生熱擊穿,造成穩(wěn)壓二極管永久失效。

圖8

另外,當(dāng)穩(wěn)壓二極管還沒擊穿之前,它不會(huì)對(duì)開關(guān)管分流,從而大大增大開關(guān)管的關(guān)斷損耗;并且,流過穩(wěn)壓二極管的電流還產(chǎn)生很大的電流突跳,很容易產(chǎn)生高頻電磁輻射。因此,對(duì)開關(guān)管進(jìn)行過壓保護(hù),在安全及EMC技術(shù)性能方面,選用RC要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于選用穩(wěn)壓二極管。
 

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