对反激电源吸收电路设计方法的讨论与思考

林 为，胡昌吉，冯泽君，李 姗，郑 亚

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

0 引 言

开关电源的开关管工作在高频通断状态，存在交流开关损耗。开关频率越高，开关损耗越大[1]。同时，开关电源不可避免地存在储能电感（或漏电感）和电容（或寄生电容），在开关管关断时，电感储存的能量要择路释放，将在电路中产生尖峰过电压和振荡现象。如果尖峰电压过高，就会损坏开关管，振荡也会使输出纹波增大，从而影响系统的EMI性能。为了降低尖峰电压，确保器件安全，降低损耗，改善电路性能，通常需要设计吸收电路。

除了专门用途的开关电源，如充电器、逆变器以及变频器等，很多电子电气系统或产品都需要给控制器提供辅助工作电源，作为弱电控制的能量源[2]。这种辅助电源具有功率小和输出电源组数多的特点，此时反激式开关电源成为首选。反激电源的变压器大都开了气隙，漏感比较大，因漏感造成的尖峰电压较高，因此吸收电路在电子电气系统中很常用。

1 吸收电路原理概述

反激电源的吸收电路如图1所示，二极管D、电容C以及电阻R构成RCD吸收电路。开关管Q导通时，变压器初级励磁储存能量，二极管D反偏截止，电容C通过电阻R放电。当Q关断的瞬间，变压器所有绕组电压反向，次级二极管导通，初级电感储存的能量向负载传递，但漏感Lk属于不耦合电感，无法通过次级释放能量，必然在Q的漏极产生尖峰电压，二极管D导通，漏感能量通过D对C充电，形成LC谐振[2]。

图1 反激电源的吸收电路

开关管Q关断时，其DS两端的电压由直流输入电压Uin、次级感应电压UOR以及漏感产生的尖峰电压Uspike叠加而成，即：

如果该电压超过开关管额定耐压，将会损坏开关管，因此需要限制这个电压的峰值，使得它小于开关管的额定电压[3]。

2 RCD吸收电路设计方法一

设计合理的吸收电路，电容C两端的电压如图2所示。开关管Q断开时，漏感Lk通过二极管D给电容C快速充电，电压迅速上升，到达最大值后开始对R放电。Q再次开通时，电容电压刚好降到次级反射电压UOR附近。Q再次关断前，电压达到最小值，也就是说电容C只吸收漏感冲击电压Uspike，而不对Uin和UOR起作用，否则不仅增大电阻R的发热，还会降低电源的效率。

图2 吸收电路合理的电压波形

因R阻值较大，开关管Q关断时，可近似认为Lk与C发生串联谐振，经过1/4谐振周期电流反向，二极管D截止，这段时间很短，可认为RC放电过程持续整个开关周期。

文献[4]通过对电容放电过程做线性化处理，得到：

式中，Ucmax为电容充电获得的最高电压，Np和Ns分别为变压器初级和次级匝数，Vo为输出电压，Dmax为占空比最大值。

同时假设电容从Ucmax下降到UOR所用的时间为开关关断的时间，充电时间很短忽略不计，则利用电容的放电公式可得：

式中，T为开关周期。为了计算R和C的具体数值，在整个周期内运用RC放电公式得：

式中，Ucmin为开关管导通结束瞬间电容电压的最小值。

再根据能量关系有：

式中，Lk为漏感，Ip为关断时的开关管峰值电流，也是漏感的峰值电流。

将式（3）和式（4）代入式（5），得：

再结合式（3），得：

3 RCD吸收电路设计方法二

文献[3]的研究者认为，电容C两端的电压在一个周期内从最大值USN（即本文提到的最大值Ucmax）下降到UOR，以此来计算理想的吸收电容最小值。

漏电感储存的能量等于开关管断开后电容吸收漏感能量后的总能量减去开关管关断前电容的能量，即：

式中，U为电容的初始电压，等于UOR，U+ΔU为电容的最大电压，ΔU为一个周期内电容两端的压差，即ΔU=Ucmax-UOR，最后得到：

为了在每个周期内将吸收的能量全部释放，设定开关周期T=(2～4)RC，可求得电阻值为：

4 两种方法的讨论与思考

上述两种设计方法的共同点，都是从能量的角度出发，令电容吸能与释能后的能量差等于漏感储存的能量，计算电容的容量，但两者采用的变量明显不同。

方法一以占空比来计算R和C的值，其中研究者对电容的放电曲线进行线性化处理，将电容充电时获得的最大电压表示为占空比Dmax的函数，得到式（2）。这个结果值得商榷，因为该公式表明，占空比越小，Ucmax反而越大。原理上，在其他电路参数不变的条件下，Ucmax正比于漏感储存的能量，也就是初级峰值电流Ip，而Ip与开关管导通时间ton成正比，占空比越大，理应Ucmax也越大。由此可见，这种线性化处理可能带来较大偏差。

另外，为了计算R和C的取值，需在最大占空比Dmax的条件下来确定RC值。笔者认为此处应采用最小占空比Dmin，原因是如果占空比再减小，次级导通时间toff增加，电容电压在开关管再次导通前已下降到UOR，二极管D会再次导通，吸收电路将消耗磁芯能量，降低电源效率。

方法二以电容的初始电压U以及电压变化量ΔU来计算电容值，见式（8）。研究者认为开关管关断瞬间电容承受的电压为USN，即最大值Ucmax，到下次关断时电压为UOR，并以此来计算电容的能量差以及电容值。笔者认为，开关管再次关断时，电容的电压并非UOR。参考图2，在toff的下降沿（即关断结束时刻），电容电压uc下降到UOR附近，当开关管导通时，二极管D关断，C继续通过R放电，电压继续下降，在开关管再次关断前到达最小值Ucmin。开关管每次关断时，电容电压是从Ucmin开始上升，而不是UOR。Ucmin是个未知数，工程上可根据经验设定一个预设值来计算电容量，再进行调试获得最佳效果。

实践中常用的设计方法是计算最大输入电压Uinmax，根据所选开关管的耐压，并预留裕量。确定安全的电压峰值（振铃高度）Udsmax，计算次级反射电压UOR，根据Ucmax=Udsmax-Uinmax-UOR确定电容峰值电压。开关管再次关断前，设定一个放电终止电压Ucmin，即可根据方法二计算吸收电容C的容量。容量确定后，根据电容的放电公式计算电阻R的值，其功率应大于计算值的两倍。

理论设计完成后，通过实际调试，获得最佳的吸收电路参数，这是因为吸收电路要改善的波形主要是由电路的寄生元件引起[5]。调试时，应遵循先低压后高压，再由轻载到重载的原则。

5 结 论

对反激电源来说，吸收电路属于优化电路。为了降低芯片或开关管损坏风险，降低器件选型成本，实践中广泛使用吸收电路。吸收电路有多种设计方法，核心都是从能量的角度出发，令电容吸能与释能后的能量差等于漏感储存的能量，来计算电容的容量。然而吸收电路的设计还要与实践经验结合，而不是单纯进行理论计算，只有通过实际调试，才能获得最佳的吸收电路参数。