反激变换器中吸收电路的设计

代兴华，郑丽婷，赵瑞杰，田素立，王海明

（许继集团有限公司 河南 许昌　461000）

反激变换器中吸收电路的设计

代兴华，郑丽婷，赵瑞杰，田素立，王海明

（许继集团有限公司 河南 许昌461000）

本文针对模块电源的发展趋势和有源箝位电路的工作原理，研究了一种采用磁放大技术和固定伏特秒控制技术的有源箝位反激软开关电路，对该电路的工作过程进行了详细的理论分析。在理论分析的基础上，设计了一款48W的电源样机。经过测试，验证了该理论分析的正确性，在整个负载范围内完全实现了主开关管和箝位电路的软开关变换，软开关实现的条件不依赖于变压器的参数。在采用肖特基二极管整流的情况下，满载输出的转换效率在89%以上。

有源箝位；反激变换器；磁放大器；固定伏秒值

反激式变换器具有电路简单、成本低、可靠性高，易于实现多路输出等优点，在中、小功率的电源中应用非常广泛。但是，由于变压器漏感的存在及其它分布参数的影响，反激式变换器在开关管关断瞬间会产生高频振荡的尖峰电压［1］，这个尖峰电压不仅严重威胁着开关管的正常工作，同时带来严重的电磁干扰问题，因此必须采取相应的措施对其进行抑制。

目前，主要的措施有3种，分别是减小变压器的漏感、增加吸收或者箝位电路、通过谐振网络实现开关管软关断［2］。通过改进变压器的绕制工艺，只能有限度的降低变压器漏感，不可能完全消除。增加谐振网络实现软开关的方式［3］，不仅成本增加，而且电路也变得复杂，使反激变换器原有的优势丧失殆尽。

本文对比了RC吸收电路、RCD箝位电路和双二极管箝位电路的原理和应用特点，详细说明了RCD箝位电路的设计方法，通过相应的试验进行了验证。电路，同时变压器还兼做储能电感使用［4］。当开关管开通时，能量以磁能的方式储存在变压器中；在开关管关断时，能量传输到副边。图1为反激变换器主回路原理图，其中Lm为变压器原边的励磁电感，LK为变压器原边漏感，COSS为开关管Q1的结电容，变压器的变比为n：1。

1　吸收电路的工作原理

图1　反激变换器的电路原理图Fig.1　The principle diagram of flyback converter circuit

1.1反激变换器的工作原理

反激变换器可以看做是一个带隔离变压器的buck-boost

图2为反激变换器工作在连续模式下的电流电压波形。MOS管Q1关断时，变压器原边电流id给COSS充电。当Vds超过Vin+nVo时，输出二极管D1导通，励磁电感Lm上的电压箝位到nVo，漏感LK和电容COSS开始谐振，如图2所示。由此造成的电压过冲会击穿MOS管，过高的dv/dt会带来严重的电磁干扰［5］，必须采取相应的措施进行抑制。

图2　连续工作模式下的波形Fig.2　The waveform of continuous working mode

1.2RC吸收电路

RC吸收电路如图1所示，RC型吸收电路并联在MOS管两端，MOS管Q1关断瞬间，电容C4可以近似看作短路，电阻R4可以有效地抑制漏感LK和电容COSS之间的谐振；谐振结束后，电容C4上电压等于Vds，无电流流过RC吸收回路。在MOS管Q1导通瞬间，电容C4通过电阻R4和MOS管Q1放电。电阻损耗可以用下式表示；

其中Vds-max为MOS管关断时的尖峰电压。

不过在大多数的应用中，RC回路不足以把Vds限制在安全的范围内，因此需要和其它的箝位电路配合使用。

1.3双二极管箝位电路

双二极管箝位电路如图1所示，由快恢复二极管D3和TVS管Z3串联而成。该箝位方式相对于RC和RCD电路，具有一个明显的优点：箝位电压在全负载范围内为一个定值，在轻载运行时，比RC和RCD电路的效率高。但是该电路受元器件性能的影响，损耗受限，使用中不够灵活，只能用于小功率电源中。

1.4RCD箝位电路

1.4.1工作原理

RCD箝位电路如图1所示。在Q1关断时，箝位电路用于吸收变压器漏感LK中的能量，该能量最终由电阻R2消耗掉。假定箝位电容C2足够大，电源达到稳态后，电容C2上的电压为恒定值［6］。

如图3所示，采用RCD箝位的反激变换器在连续工作模式下的关键波形。

Q1关断后，Vds谐振至Vin+VRCD时，如图3所示，二极管D2导通，Vds被箝位。RCD回路的电流变化率可以用是式（2）表示，D2导通的时间可以用式（3）表示。

其中ipeak为变压器原边峰值电流。

图3　连续模式下，采用RCD箝位的反激变换器关键波形Fig.3　The key waveform of using RCD clamped flyback converter in continuous working mode

1.4.2设计方法

第一步，采用和电源同频率的激磁信号，测量变压器原边漏感，这是设计RCD箝位电路的关键。对于RDC电路，我们关心的是漏感中储存多少能量，而LK和COSS谐振的频率无关紧要。

第二步，确定箝位电压。根据实践经验，最大负载，最低输入电压下的VRCD取2～2.5倍的nVo，负载较轻时取2，负载较重时取2.5。但是VRCD+Vin不能超过0.85VDSS。

如果电源的开关管Q1已经选定，可以根据Q1的VDSS值，来选择合适的箝位电压。

其中，VDSS为开关管的漏源极击穿电压。

第三步，确定箝位电阻。VRCD确定了以后，RCD箝位电路在最大负载最低输入电压下的损耗为：

其中，fs为电源的开关频率。从公式（4）可以看出VRCD越小，RCD回路的损耗越大。

电阻R2上的损耗为/R2。根据能量守恒原则，可得：

第四步，确定箝位电容。箝位电容C2上的最大纹波电压为：

第五步，其它重要变量的计算。电源工作在连续模式时，原边峰值电流和箝位电压随着输入电压的增大而减小。

RCD电路在最大负载、最大输入电压下的箝位电压为：连续模式下，最大负载，最大输入电压下：

通常稳态情况下，Vds不应超过0.85VDSS；暂态情况下，Vds不应超过0.9VDSS。断续模式下，最大负载，最大输入电压下：

2　试　验

将上面的设计方法应用到了一款48W的反激式变换器的箝位网络设计当中，取得了良好的效果。电源参数如下；

输入电压Vin：AC85V～264V；

输出电压VO：DC24V/2A。

在变换器中，开关管选用VDSS为750 V的MOSFET，开关频率定位100 kHz，反馈电压定位120 V。

利用公式，可计算出初级最大峰值电流为ipeak=1.52 A，初级电感量为LP=280 μH，实测变压器漏感为LK=6.2 μH。

通过以上已知量，可以算得

实际中取R2为3个150 kΩ/2 W的功率电阻并联，C2为2 200 pF/1 kV瓷片电容，通过实测各种情况下开关管漏极波形，箝位效果良好，电源正常工作，各项参数满足设计要求。

3　结　论

本文针对模块开关电源的发展趋势以及有源箝位电路的工作原理，研究了一种采用磁放大稳压技术的有源箝位反激软开关电路，并进行了详细的理论分析。经过样机实验，验证了该理论分析的正确性，完全实现了主开关管和箝位电路的软开关变换，并且不依赖于变压器的设计，满载输出的转换效率在89%以上。理论分析和实验结果吻合，证明了本文研究的正确性。

［1］胡江毅.反激变换器的应用研究 ［D］.南京：南京航空航天大学，2003.

［2］林周布，张文雄，林元尊.反激型开关电源的软缓冲技术［J］.电力电子技术，2011，35（3）：24-26，50.

［3］樊永隆.反激式变换器中RCD箝位电路的设计 ［J］.电源技术应用，2006，9（12）：47-49.

［4］张兰红，陈道炼.反激变换器不同工作模式时的稳态分析与设计［J］.盐城工学院学报：自然科学版，2002，15（4）：5-8.

［5］夏泽中，李文.整流桥开关过电压的保护方法［J］.电力电子技术，2007，41（11）：88-91.

［6］宋鑫，马小平，牛洁如.RCD箝位反激变换器的研究［J］.工矿自动化，2010（11）：47-51.

Design of absorbing circuit in flyback converter

DAI Xing-hua，ZHENG Li-ting，ZHAO Rui-jie，TIAN Su-li，WANG Hai-ming （XJ Group Corporation，Xuchang 461000，China）

According to the development trend of the module power supplies and the working principle of active clamping circuit，the paper studied one kind of active clamp flyback soft switching circuit which employs magnetic amplification technology and fixed volts seconds control technology，and detailed theoretical analysis of the working process of the electric circuit is made in the paper.On the basis of theoretical analysis，a 48W power prototype is designed.After tests，the theoretical analysis is verified correct.In the whole load range，soft switch transform between the main switch tube and RCD clamped circuit is completely realized，and soft switch realization conditions is not dependent on transformer parameters.In using the schottky diodes rectifier，the conversion efficiency in full load is 89%above.

active-clamp；flyback converter；magnetic amplifier；fixed volt second

TN86

A

1674－6236（2016）03-0118-03

2015-03-25稿件编号：201503344

代兴华（1988—），男，河南许昌人，工程师。研究方向：电力电子变换技术。