功率管关断瞬间尖峰电压的抑制方法

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功率管关断瞬间尖峰电压的抑制方法

1 引言

反激式变换器功率管关断的瞬间，会出现较大的尖峰电压，这个电压可能会超过开关管的定额。在小功率的应用场合，适合使用缓冲电路来达到钳位的效果。根据在电路中的实际作用，可以分为抑制电压上升率模式和电压钳位模式两种类型。虽然工程与设计人员已普遍使用RCD Clamp电路，但仍然存在性能进一步优化的可能。另外，在反激变换器拓扑中，变压器漏感不但影响能量传输及输出电压调整率，而且更大程度上造成了功率管关断瞬间的尖峰电压。

本文讨论了电压钳位模式Clamp及变压器漏感对功率管尖峰电压的影响，对其进行了简单的理论分析，给出了相应的设计过程与计算公式，并以实例说明降低漏感的有效工程方法。

2 功率管关断瞬间尖峰电压的产生机理

如图'所示，反激式变压器主要由理想变压器、激磁电感与漏感组成。开关管关断瞬间，各个绕组两端的电压立即反相，但一次侧电流I,会继续给电容Coss（电路中的寄生因素与Mosfet本身存在的输出电容相结合）充电，然后开关管d、s端电压谐振上升，由于电流很大而谐振电路Q值很小（因为这些电容的数值都较小），所以基本呈线性上升，当端电压上升到Uor（即为NUout）时，二次侧电流开始上升而一次侧电流开始下降。

漏感上的能量没有泄放的路径，因而Lpleak将和Cp及Coss发生谐振而形成振荡，在开关管d、s两端形成较高的尖峰电压Udsmax，为输入电压Uinmax、二次侧反射电压Uor、漏感Lpleak造成的尖峰电压Uspike三者的叠加，该电压的幅值可以表示为

式中，N为一、二次侧线圈匝数比，Uor=NUout。

这个峰值电压的谐振频率为

3 电压钳位电路的抑制作用及变压器漏感分析

3.1 Clamp电路的工作原理

Cc端电压在理想情况下基本上是恒定的，仅在充、放电时存在一个变化量Uspike，如图2所示。由法拉第定律可知因漏感引起的一、二次侧能量传输的延迟时间为

式中，Ip为在开关管关断时电感的峰值电流。

3.2 Clamp(中电阻、电容与二极管的选择

Rc、Cc需用无感功率电阻与高压瓷介电容。VDc可选超快速二极管，电压、电流定额与Cc相似。

3.3  变压器漏感的改善方法

反激变压器的漏感主要跟骨架的形状及变压器的绕制方法有关。一般来说，骨架长宽比越大的变压器漏感越小；而变压器有两种绕法：顺序绕法和夹层（三明治）绕法。顺序绕法就是按照顺序绕制完一次侧再绕制二次侧；三明治绕法是一、二次间隔绕制。这两种绕法对EMI和漏感有着不同的影响。

顺序绕法一般漏感为电感量的5%~15%左右，但由于一、二次只有一个接触面，耦合电容较小，所以EMI比较好；三明治绕法一般漏感为电感量的3%~5%左右，但由于一、二次至少有两个接触面，耦合电容较大，所以EMI较顺序绕法要高。一般为30~50W，功率不大的反激变压器，其漏感能量还可以接受，所以用顺序绕法比较多；50W以上，其漏感的能量较大，一般只能用三明治绕法。

虽然Clamp电路基本上可以确保开关管断开瞬间的电压不会过大，但是毕竟会白白消耗掉漏感上的能量，这对于小功率电源效率的提高是不利的。由于变压器骨架受到功率、尺寸等众多因素的影响，不大可能单纯考虑漏感而改用其他规格。工程上较容易接受的途径是改用三明治的绕法来降低漏感。理论上绕组耦合得越紧密，其漏感也将会越小。使漏感的数值处于某种水平以下，这样就可以取得较好的效果，甚至通过选用适当电压定额的功率开关管而不使用Clamp电路。

然而不同的三明治绕制方法，会产生不同的漏感值。因此，下面的实验过程对各种不同三明治的绕制方法，及其相应的漏感值与尖峰电压Uspike进行了一些对比。

4 实验结果分析

4.1 电压钳位RCD Clamp电路的抑制作用的实验结果

变压器采取顺序绕法，对比加 Clamp电路及不加时，功率开关管关断瞬间峰值电压波形Uds如图5所示。可见加Clamp比不加时Uds减小了124    V，已达到较好的效果。

4.2 变压器漏感对功率管尖峰电压抑制作用的实验

由图4得出结论：漏感越小，产生的Uspike就会越小。实验过程均为不加Clamp电路，可见漏感对功率管峰值电压存在较大的影响。但是，在二次绕组夹住一次绕组的情况下，虽然有效地降低了一、二次间的漏感，却会降低输出电压交叉调整率（因为此时二次侧的漏感会变大）。因此，在最终决定绕制方式时，需要综合评估多方面的影响。

5 结束语

反激式变压器实质上是一个耦合电感，其漏感会转移一部分能量，一方面降低了变换器的工作效率，另一方面在关断瞬间会产生很高的尖峰电压作用于功率开关管d、s两端，有可能使开关管遭受损坏。Clamp电路的作用就是钳位这个尖峰电压，但其只是吸收了漏感中的能量。在工程与设计实践上，可以通过不同的绕组绕制方法来减小漏感，从根本上降低或抑制尖峰电压。这样，研制一台高性能、高效率的反激式变换器可行。

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