反激变换器缓冲回路的设计

蔡程程，秦会斌

(杭州电子科技大学CAE研究所，杭州310018)

随着电力电子技术的发展，开关电源正趋向于小型化和轻量化。反激变换器具有成本低、体积小等优点，易于实现多路输出等优点，被广泛应用于中、小功率的电源中［1］。为了减小电源的体积和重量，提高开关频率是最可行的方法。然而，随着开关频率的提高，开关损耗也越来越大，带来了效率降低和发热严重的问题，反激式变换器在开关管关断的瞬间会产生很大的尖峰电压。这个尖峰电压会严重的影响开关管的工作，需要设置缓冲吸收回路对其进行抑制。

很多种方法可以实现缓冲吸收的目的，总体上主要通过两种方法［2］:一是减小漏电感，二是耗散过电压的能量，或者使能量反馈回电源中。减小漏感主要靠工艺;耗散过电压的能量通过与变压器或者开关管并联的缓冲电路;能量反馈回电源则采用附加电感和定向二极管的方法。下面主要介绍RCD缓冲回路与LCD吸收回路的设计方法。

1 RCD缓冲回路

图1所示是实际变压器的等效电路，励磁电感与理想变压器并联，漏感与励磁电感串联。励磁电感能量可通过理想变压器耦合到副边，而漏感因为不耦合，能量不能传递到副边，如果不采取措施，漏感将通过寄生电容释放能量，引起电路震荡，影响电路工作［8］。为提高电路工作，可在变压器前级加入RCD吸收回路。

由于电容为储能元件，因此在变压器的初级绕阻前面加上电容，在开关管关断的瞬间能够将变压器中储存的漏感能量转移到电路的箝位电容上去［3］。另外，由箝位电容箝位电阻于二极管组成的RCD回路就能够将此部分能量消耗。从而减小了开关管的电压应力。图2所示为加入RCD吸收回路的反激变换器。RCD钳位吸收电路由钳位电阻R1，钳位电容C1和二极管D1组成。加入RCD箝位电路之后，Lleak中的大部分的能量将在开关管关断的瞬间转移到箝位电路的箝位电容上，然后这部分能量被箝位电阻消耗，这样就减小了开关管的电压应力。

图1 变压器模型的反激变换器

图2 有RCD缓冲回路的反激变换器

对于电容与电阻值的选择，综合考虑以下因素，选择最适合的值:

(1)RCD电容C偏大

电容端电压上升很慢，因此导致开关管电压上升较慢，导致开关管关断至次级导通的间隔时间过长，变压器能量传递过程较慢，相当一部分初级励磁电感能量消耗在RC电路上。

(2)RCD电容C特别大

电容电压很小，电压峰值小于次级的反射电压，因此次级不能导通，导致初级能量全部消耗在RCD电路中的电阻上，因此次级电压下降后达成新的平衡，理论计算无效了，输出电压降低。

(3)RCD电阻电容乘积R×C偏小

电压上冲后，电容上储存的能量很小，因此电压很快下降至次级反射电压，电阻将消耗初级励磁电感能量，直至开关管开通后，电阻才缓慢释放电容能量，由于RC较小，因此可能出现震荡，就像没有加RCD电路一样。

(4)RCD电阻电容乘积R×C合理，C偏小

如果参数选择合理，开关管开通前，电容上的电压接近次级反射电压，此时电容能量泄放完毕，缺点是此时电压尖峰比较高，电容和开关管应力都很大。

(5)RCD电阻电容乘积R×C合理，R，C都合适

在上面的情况下，加大电容，可以降低电压峰值，调节电阻后，使开关管开通之前，电容始终在释放能量，与上面的最大不同，还是在于让电容始终存有一定的能量。

综上考虑得知，在RCD吸收回路的设计过程中，我们一般采取，其中V为箝位clamp电压，ΔVclamp为箝位电容上的电压波动，fs为变压器的工作频率。

当开关管导通时，输入电压V加在变压器绕组上，由于二极管反向偏置，阻止箝位电容的放电，所以Vc≈0。当开关管关断时，变压器漏感中的能量给开关管的漏源极间电容和电路中的其他杂散电容充电，直到漏源电压达到U，二极管导通，箝位电容电压逐渐上升，即漏源电压也逐渐上升，而且箝位在2%数值［4］。在剩余时间里，随着电阻放电电流减小，电容的电压会返回到原来值，多余的能量被电阻消耗。

在稳态工作时，因为箝位电容的电压会自动调整，直到多余的能量消耗在电阻上。如果没有RCD缓冲电路，漏感中的能量将会在开关管关断瞬间转移到开关管的漏源极间电容和电路中的其他杂散电容，此时，开关管的漏极将会承受较高的电应力，导致开关管失效。

RCD缓冲电路最简单，成本最低，可降低开关管的电压应力，但其损耗较大，箝位电压依赖于变换器的输出电流，与输入电压无关，会随电阻减小而减小，但损耗增大［5］。

2 LCD缓冲回路

LCD缓冲回路如图 3所示，由L，C，D1，D2组成。LCD缓冲回路不但能够有效的抑制开关管关断时由漏感能量造成的电压尖峰，而且能够将变压器的漏感能量反馈回电网。

如果LC谐振频率远大于开关频率，在开关管导通和关断期间，箝位电容的极性将不断改变。开关管关断时，其漏极电压开始上升，D1导通，电容将进行充电，减缓了漏极电压上升的速度，电容两端的电压为

图3 LCD缓冲回路

式中I0为开关管关断时初级绕组流过的电流，Vref为输出反射电压，Lkp为变压器初级绕组漏感。

开关管导通后，箝位电容通过S、L和D2进行放电。L、D2和C产生谐振，大约半个振荡周期后，以电压形式储存在电容上的能量转变为电流形式，储存在电感中，电容的电压极性改变，充电到Vin。在下半周期内，L上端电压继续升高，即电容两端电压大于Vin，D1导通，储存在电感中的剩余能量通过D1返回电网。

在这种工作状态下。箝位电容C的电压与输入电压无关，依赖于负载电流的大小。由于LC谐振频率非常高，电容C的值不能设计得过大，因此，在重载条件下，箝位电压远大于输出反射电压(通常为Vref的2～4倍)。

LC谐振频率，如果LC谐振频率小于电路开关频率，开关管导通期间，箝位电容储存的能量通过LC振荡，只有一小部分传递到电感［6］。开关管关断后，电感中的能量通过D1和D2返回电网。箝位电容的电压极性不会发生改变。电容值如果足够大，在整个开关周期内，电容电压的微小变化将忽略不计。在稳定状态下，达到能量平衡后

式中Lm为变压器初级绕阻电感。

由于变压器漏感远小于初级电感，箝位电容电压与输出反射电压紧密相关，因此，选择一个合适电感，箝位电容的电压将对输入电压的依赖很小，并且箝位电压可维持在比输出反射电压略高的一个值上，基本与输入电压无关。开关管的电压

在宽输入电压情况下，LCD缓冲电路的箝位电压非常低，接近于输出反射电压，不随负载电流而变化，且无损耗，但需要额外提供一个可以与变压器初级电感匹配的电感。用来减小开关管电流应力。在实际电路设计中，为了减缓开关管漏极电压上升速率，LC谐振频率，电容 C 取值应足够大［7］。

3 实验结果

设计一个采用LCD缓冲回路的反激式开关电源。

输入电压U:20 V～30 V;输出电压U:10 V;输出电流L:0～5 A;工作频率:300 kHz。

图4 箝位电容两端的对地电压

从图4可以看出，在开关管开通时，开关管电压迅速下降;而在开关管关断时，开关管电压缓慢上升，有效地降低了开关损耗。开关管关断时，开关管上没有出现大的浪涌电压，开关管电压被有效地箝位，因而开关管上的电压应力较小。在关断的瞬态过程中，开关管电压有一个小的振荡过程，这是由于输出整流二极管的反向恢复而产生的。测试结果表明，LCD缓冲电路不但能将变压器的激磁能量反馈回电网，而且能有效地抑制开关管关断时的电压尖峰，电源整体转换效率较高，大于86%，实现了无损耗箝位。而同样条件下的RCD吸收回路，电源整体转换效率只能达到84%。由上可知，LCD吸收回路的整体效率要高于RCD吸收回路。

4 总结

本文分析了RCD缓冲回路与LCD缓冲回路，并进行了比较。

RCD缓冲回路最简单是一种低能耗的缓冲回路，用来耗散过电压的能量，但是有损耗，不能有效的吸收漏感的能量。LCD缓冲回路能够有效的降低开关管的尖峰电压，并且能将变压器漏感储存的能量反馈到输入电源，大大提高了电源的转换效率。在实际应用中，应该综合考虑电路的特点和要求，选择合适的缓冲电路，进一步降低开关管的开关损耗和过电压尖峰，提高开关电源的性能和可靠性。

［1］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.修订版.北京:电子工业出版社，2004.

［2］Abraham I Pressman，Keith Billings，Taylor Morey.Switching Power Supply Design［M］.3 版.北京:电子工业出版社，2010.

［3］张杰，李文石.一种快速设计反激开关电源主电路的新方法［J］.电子器件，2009，32(3):604-607.

［4］张兰红.基于电流控制技术反激DC/DC变换器研究［D］.南京航空航天大学，2001.

［5］徐龙祥.RCD箝位反激变换器的设计与实现［J］.电源技术应用，2002，5(10):33-35.

［6］Mohan N，Undeland T M，Robbins W P.Power Electronics:Converters，Application and Design［M］.New York:Wiley，1989.

［7］Mcmurray W.Selection of Snubbers and Clamps to Optimize the Designof Transistor Switching Converters［J］.IEEE Trans Ind Appl，1980，IA-16:513-523.

［8］Ninomiya T，Tanaka T，Harada K.Analysis and Optimization of Anondissipative LC Turn-Off Snubber［J］.IEEE Trans Power E-lectron，1988，3(2):147-156.