反激变换器MOSFET 开通电流尖峰的PSIM 仿真研究

季三飞，谭王景，雷蕊英，王 晴

（陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西 咸阳，712000）

1 引言

反激变换器因其结构简单、体积小、成本低等优点广泛应用于各种小功率直流电源场合。由于反激变换器工作于高频情况，因此元器件中的各种寄生参数就不能被轻易忽略，这些寄生参数会给电路的工作状态带来不同程度的影响。文献[1]至文献[5]分析了反激变压器的漏感会给MOSFET 关断时刻的漏源电压上产生尖峰；文献[6]至文献[10]分析了反激变压器的分布电容会在MOSFET 开通时刻产生电流尖峰；文献[11]至文献[15]提出了采用RCD箝位电路来吸收MOSFET 关断时刻的漏感能量来降低漏源尖峰电压，但是没有提到RCD 箝位电路在降低MOSFET 关断时刻漏源尖峰电压的同时会增大MOSFET 开通时刻的电流尖峰。

本文在分析变压器分布电容和箝位二极管结电容在MOSFET 开通时刻进行充电会产生电流尖峰的基础上，同时通过了仿真验证。由于实际变压器和二极管的寄生参数不可能完全消除，因此很难通过实验的方法进行对比验证；但是可以通过仿真的方式在元件的理想模型上添加相应的寄生参数进行对比分析。

2 反激变换器的工作原理

图1 所示为带有RCD 箝位电路的反激变换器拓扑结构。图中，为输入电源，T 表示理想反激变压器，为变压器的漏感，为变压器的励磁电感，V 为开关管MOSFET，D2为副边整流二极管，为输出滤波电容，为输出负载和D1分别对应RCD 箝位电路中的电阻、电容和二极管。

图1 反激变换器的拓扑结构

3 寄生电容的影响

当MOSFET 导通时，副边二极管D2截止，副边相当于开路，这时输入电源向变压器原边的励磁电感蓄能。图2 给出了MOSFET 开通时刻的电路工作原理图，其中图（a）为理想箝位二极管和不考虑变压器分布电容的情况，图（b）为同时考虑箝位二极管的结电容和变压器的分布电容的情况。

图2 MOSFET 开通时刻的工作原理图

从图2（a）中可以看出，当MOSFET 开通时，由于二极管D1承受反压截止，RCD 箝位电路断开，漏感和励磁电感串联经MOSFET 与输入电源构成回路，电流可以由式（1）进行确定。

图3的工作波形

从图2（b）中可以看出，当考虑箝位二极管的结电容时，由于的阻值较大，因此可以近似认为开路和之间串联后与并联（由于箝位电容远大于结电容因此和串联后主要取决于D1）。在MOSFET 开通时刻，输入电压瞬间加在变压器两端，电容和在很短的时间内要充电至输入电压因此会有较大的充电电流而电感中的电流不能突变，因此会在上产生一个较大的电流尖峰，如图3（b）所示。电流尖峰可以由式（2）进行计算：

4 仿真验证

为验证上述分析，在PSIM 中搭建了反激变换器的仿真模型，同时设计了一台实验样机。反激变换器参数为：交流输入220V，输出直流12V，输出额定功率30W，工作于DCM 模式，开关频率36kHz，变压器原副边匝比40：-4，励磁电感470uH，漏感8uH，变压器分布电容67pF，电流检测电阻0.62Ω，RCD 箝位电路中的电阻4.7kΩ、电容3300pF、二极管型号为FR107（结电容15pF），MOSFET 型号为FQPF7N80C（开通时间135ns）。

图4 仿真波形

图5 实验波形

5 结语

在设计反激变换器的变压器和RCD 箝位电路时，既要保证RCD 箝位电路能完全吸收掉变压器漏感中的能量，减小MOSFET 关断时刻的电压尖峰，又要尽可能减小箝位二极管的结电容和变压器的分布电容给MOSFET 开通时刻带来的电流尖峰。如果电流尖峰过大，可能会造成控制芯片的过流检测功能误触发，影响反激变换器的正常工作。