反激变换器中RCD箝位电路的研究[1].Stamped

20 电工电气电工电气 (2011 No.1) 作者简介：刘国伟(1986- )，男，硕士研究生，研究方向为电力电子高频磁技术。 反激变换器中RCD箝位电路的研究 摘 要：反激变换器原边漏感对半导体器件的影响较大，通过 RCD 箝位电路可以降低半导体器件 的关断电压尖峰。 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了 RCD 箝位电路在反激变换器中的工作原理，并介绍了 RCD 各个参数的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方 法以及 RCD 箝位电路的损耗分析，实验验证了 RCD 各参数对反激变换器的影响。 关键词：反激变换器；RCD 箝位电路；电压尖峰 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2011)01-0020-04 刘国伟，董纪清 (福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108) Abstract: As the primary inductance leakage has greater impact on semiconductor apparatus in the fl yback converter, the RCD clamp circuit can reduce breaking voltage peak of semiconductor apparatus. Analysis was made to the working principle of RCD clamp circuit in the fl yback converter. Introduction was made to the design method of RCD each data and loss analysis of RCD clamp circuit. Experi- ment has verifi ed the impact of RCD each data on the fl yback converter. Key words: fl yback converter; RCD clamp circuit; voltage peak LIU Guo-wei, DONG Ji-qing （College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China） Study of RCD Clamp Circuit in Flyback Converter 0 引言 反激变换器具有高可靠性、电路拓扑简单、成 本低、易于实现多路输出等优点，因此广泛应用于 中小功率场合，如电源适配器、逆变器的辅助电 源、模块电源等。反激变换器中的变压器起着储能 电感和能量传输的双重作用，为了传递足够能量，避 免磁芯直流饱和，一般需要添加气隙，这样导致变 压器的漏感在初级电感中的比例较大。变压器的漏 感在开关管关断时刻与开关管的寄生电容组成串联 谐振电路，在开关管漏源两端产生很大的电压尖 峰，容易将开关管击穿。为了防止开关管击穿，需 要减小变压器的漏感，或者增加箝位电路。工程上 常采用三明治或者交错并绕等绕法，并且绕制时尽 量保持绕线均匀、紧凑来减小漏感。 1 RCD箝位电路工作原理 箝位电路分为有源型和无源型，其中无源型又 可以分为损耗型和无损耗型。RCD箝位电路是一种 无源损耗型箝位电路，其结构简单、成本低廉，在 实际工程中应用广泛[1]。如图1所示为反激变换器的 电路原理图，其中R1、C1和D1构成箝位电路，起到 保护开关管S的作用。 反激式变换器当开关管导通时，能量存储在励 磁电感与漏感中，当开关管截止时，存储在励磁电 感的能量传递到副边，而漏感中的能量无法传递到 副边，而是损耗在开关管和RCD箝位电路上。开关管 S关断时，原边电流给开关管的寄生电容CS充电，此 时副边二极管D截止，如图2 a)所示。当开关管寄 图1 反激变换器电路原理图 反激变换器中RCD箝位电路的研究 Ls Vin + - Lm S CS C1R1 D1 C R D Vo N:1 RCD箝位电路 + - D2 21 电工电气电工电气 (2011 No.1) 生电容CS两端电压为Vin时，开关管S截止，副边二 极管D导通，副边电压反射到原边电压VOR，原边漏 感电流瞬间给CS充电，同时对箝位电容C1充电，如 图2 b)所示。当漏感LS中能量完全释放后箝位电容 C1充电完毕，此时二极管D1截止，电容C1、电阻R1 构成回路，存储在电容中的能量通过箝位电阻消耗 掉，此时开关管S截止，如图2 c)所示。当开关管S 导通时，C1继续通过R1放电，副边二极管D截止，如 图2 d)所示。 图2 RCD箝位电路工作过程 2 RCD箝电路参数设计 2.1 RCD箝位电路参数对变换器的影响分析 RCD箝位电路参数的选择很关键，由于箝位电 压会随着负载的变化而变化，如果参数设计不合 理对反激变换器的影响很大。若R、C参数选择合 适，不仅能抑制关断电压尖峰，而且箝位电阻损 耗功率小；若R、C参数选择不合适，电压尖峰较 大时会击穿开关管，而箝位电阻消耗主励磁电感 能量则会降低开关电源效率。 1)若箝位电容C1取值较大，则箝位二极管D1导 通时C1上电压上升缓慢，副边电压过冲小，此时加 在开关管S上的电压尖峰小，但同时变压器原边能 量不能迅速传递到副边[2]；若箝位电容C1特别大，电 压峰值小于副边反射电压，则C1上的电压一直维持 在副边反射电压附近波动，从而导致箝位电阻R1成 为死负载，不管开关管的开通与关断，一直都在消 耗变压器能量，箝位电压如图3 a)所示。 2)若R1或C1取值较小，在开关管开通S导通前，箝 位电容C1上电压很快降为副边反射电压，此时二极 管D1导通，箝位电阻R1成为死负载，一直消耗变压器 能量，降低变换器效率，箝位电压如图3b)所示。 3)若R1、C1取值合适，开关管S截止结束时，箝 位电容C1放电电压为副边反射电压；开关管S导通结 束时，箝位电容C1放电完毕。此种情况下损耗较小，而 且可以抑制电压尖峰，箝位电压如图3c)所示。 图3 不同R、C参数下的箝位电压值 b)R1或C1较小 c)R1、C1合适 反激变换器中RCD箝位电路的研究 Ls Vin + - Lm S CS C1R1 D1 C D Vo N:1 + - Ls Vin + - Lm C1R1 D1 C D Vo N:1 + - S CS Vin + - S CS C1R1 C D Vo N:1 + - VOR + - Ls Vin + - S CS C1R1 D1 C D Vo N:1 + - VOR + - a)开关管S关断时寄生电容CS充电的工作情况 b)开关管S截止时箝位电容C1充电的工作情况 c)二极管D1截止时箝位电容C1放电的工作情况 d)开关管S导通时箝位电容C1放电的工作情况 D1 D2 Vclamp t VOR VC1 t1 t3 Vclamp t VOR t1 t3t2 VC1 a)C1较大 VOR VC1 Vgs t Vclamp t Ton Toff VC10 t1 t1 t3 t3 22 电工电气电工电气 (2011 No.1) 2.2 RCD箝位电路相关电压的分析 从抑制电压尖峰上考虑，箝位电阻R1、箝位电 容C1值根据最大输入电压设计；从变换器效率设计 考虑，箝位电阻R1、箝位电容C1值应根据最小输入 电压最大负载即最大占空比情况选取，否则，随着 占空比D的增大，副边二极管导通时间缩短，箝位 电容上电压会出现平台，导致箝位电容成为死负 载，箝位电阻消耗励磁电感的能量，会降低变换器 的效率。因此在箝位电路参数设计时，以抑制电压 尖峰为主进行设计，并最终对最大占空比情况下开 关管截止结束时的箝位电压与反射电压进行比对和 验证。 首先，对开关管S的漏源击穿电压VDSS进行分 段，其中，VOR+Vspike=Vclamp。 因此，VDSS可以分为三段： (1)输入的直流电压值V in；(2)主开关管V DSS的 裕量VMR；(3)RCD箝位电路的箝位电压Vclamp，由副边 反射到原边的电压V OR和峰值电压V spike组成。V DSS的 组成如图4所示。 其次，对于以上开关管VDSS的几部分进行计算： (1)输入的直流电压Vin 在Vin取值时，以最高输入电压值为准： (2)主开关管VDSS的裕量VMR VMR是取开关管VDSS的10%为最小值： (3)RCD箝位电路的箝位电压有效值Vclamp Vclamp包括两部分，副边反射到原边的电压值和 漏感产生的尖峰电压Vspike。漏感产生的尖峰电压 Vspike的大小可以通过箝位电路进行抑制，副边反射 到原边的电压VOR是根据输出端最高电压Vo以及整流 二极管导通管压降VF的最大值计算所得： 开关管的VDSS减去VMR，Vinmax两项就剩下Vclamp，因 此有： 2.3 箝位电路参数的确定 在箝位电路工作过程中，当箝位电容充电时可以 看作漏感LS和箝位电容C1构成串联谐振，谐振周期为 T=2π LSC1，经过1/4谐振周期，箝位电容充电完毕，充 电时间相对于开关周期而言是很短暂的，因此可以 近似认为电容C1的放电时间维持整个开关周期。 1)确定箝位电阻R1 箝位电阻消耗的功率为： 箝位电路损耗的能量来源于漏感中储存的能 量，以及副边反射电压提供的能量，所以箝位电路 损耗的功率为： 其中，LS是变压器的漏感，IPK是原边电感的峰 值电流，VOR是副边反射到原边的电压，fS为开关管 的工作频率。 RCD理想设计情况下，一个开关周期中箝位 电路的损耗能量完全由箝位电阻消耗，因此有 PR1=Pclamp，由公式(7)、(8)联立可以解出箝位电阻 R1的大小，为： 2)确定箝位电容C1 开关关断时，存储在漏感中的能量转移到电容 C1中，所以有： LS是变压器的漏感，IPK是原边的峰值电流，VC10 是箝位电容C1的初始电压值，一般取零。故有： 3)对R1和C1的验证 为了防止箝位二极管D1导通时箝位电阻成为死 负载，在最大占空比下开关管S截止结束时，箝位 电压需满足下述关系： VDSS=Vin+VMR+VOR+Vspike (1) Vin=Vinmax (2) VMR=VDSS×10% (3) VOR=(Vo+VF)×N (4) Vclamp=VDSS-VMR-Vinmax (5) Vclamp=0.9VDSS-Vinmax (6) (7)PR1= V 2clamp R1 (8)Pclamp= LSI 2PKfS(1+ ) VOR Vclamp-VOR 1 2 (9)R1= 2Vclamp(Vclamp-VOR) LSI 2PKfS (10)LSI 2PK= C1(Vclamp-VC10)2- C1V 2C10 1 2 1 2 1 2 (11)C1= LSI 2PK V 2clamp 图4 开关管漏源击穿电压VDSS的分段组成 VDSS Vclamp Vinmax Vspike VMR VOR 反激变换器中RCD箝位电路的研究 23 电工电气电工电气 (2011 No.1) 3 RCD箝位电路损耗分析 RCD箝位电路一个周期内能量的流动情况如图 3 c)所示：t1～t2时间内箝位二极管导通，此时漏 感中储存的能量和副边反射电压提供的能量一部分 存储于电容中，一部分通过箝位电阻消耗掉；t2～t3 时间内箝位二极管关断，此时箝位电容中能量通过 箝位电阻消耗掉。 同样从能量的消耗过程上来看，可以将箝位电 路损耗的能量分为两部分：一部分为箝位二极管导 通时箝位电路损耗的能量为W1，一部分为存储在箝位 电容中最终通过箝位电阻消耗掉的能量W2。因此有： 其中，t1为箝位电路二极管导通时刻，t2为二 极管截止时刻，Vclamp为二极管截止时刻即t2时刻箝 位电容上的电压值，即箝位电容充电时的电压峰 值；VC10为二极管导通时刻即t1时刻箝位电容上的电 压值，即箝位电容充电时电压的初始值。 所以有电阻总损耗能量为： 箝位电路总的损耗为： 4 实验验证 本文对一台反激式变换器箝位电路进行设计及 实验验证，其参数如下：输入：45～60 VDC；输 出：24 V、2 A；原边峰值电流：3.36 A；开关管 S：IRF630；箝位二极管D1：STPS8H100D。 根据公式(9)、(11)计算并通过公式(12)进行 验证，最终选取箝位电阻R1：4.7 kΩ，2 W箝位电 容C1：4.7 nF，实验结果如下： (1)箝位电容C1、箝位电阻R1取值跟峰值电压的 关系(三种情况下的曲线)：当电容较大时，如图 (12)Vclampexp ≥VOR -(1-Dmax)T R1C1 (13) t2 t1 W1=VOR idt-C1 vdv-LS idi= t2 t1 t2 t1 VORC1(Vclamp-VC10)- C1(V 2clamp-V 2C10)+ LSI 2PK 1 2 1 2 (14)W2= C1(V 2clamp-V 2C10) 1 2 (15)W =W1+W2=VORC1(Vclamp-VC10)+ LSI 2PK 1 2 (16)Ploss=fSW =fS[VORC1(Vclamp-VC10)+ LSI 2PK] 1 2 5 a)所示；当R、C值较小时，如图5b)所示；当R、C 取值合适时，如图5 c)所示；开关管S漏源两端电 压如图6所示。 (2)根据公式(15)计算出在不同负载下RCD箝位 电路参数与损耗的关系，如图7所示，满载时为1。 图5 不同R、C参数取值下的箝位电压波形 a)电容C1取值较大时的箝位电压 b)R1或C1取值较小时的箝位电压 VDS t O VDS t O VDS t O c)R1、C1取值合适时的箝位电压 VDS t O 图6 开关管S漏源两端电压 图7 随负载变化箝位电路的损耗 1.6 1.4 0 1/41/8 1 负载 功 率 /W 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 C1较大时 R1或C1较小时 R1、C1合适时 反激变换器中RCD箝位电路的研究 (下转第33页) 33 电工电气电工电气 (2011 No.1) 箝位电路可抑制电压尖峰，能防止箝位电路形 成死负载，减小箝位电路损耗，提高变换器效率。 5 结语 依据本文介绍的箝位电路设计方法设计的RCD 箝位电路不仅可以抑制开关管上的电压尖峰，而且 保证磁芯能量快速地传递，防止死负载的产生。同 时，箝位电路的损耗分析为反激变换器损耗的理论 分析提供了依据。 参考文献 [1] 张兰红，陈道炼.反激变换器开关应力抑制技术研 究[J].电力电子技术，2002，36(2)：29-31. [2] 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. 收稿日期：2010-10-08 (上接第23页) WinCC运行系统 锅炉液位趋势图 500.0 468.0 429.0 390.0 351.0 312.0 273.0 234.0 195.0 156.0 117.0 78.0 39.0 0.0 SV 100.0 96.0 88.0 80.0 72.0 64.0 56.0 48.0 40.0 32.0 24.0 16.0 8.0 0.0 MV 500.0 468.0 429.0 390.0 351.0 312.0 273.0 234.0 195.0 156.0 117.0 78.0 39.0 0.0 PV 15:54:56 15:58:41 16:02:26 16:06:11 16:09:5606-06-08 SIEMENS 用户登陆 用户登出 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 液位调整 温度调整 液位模糊 温度模糊 趋势图 数据一览 变量归档 报警 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 报 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 输出 返回 主画面 4:09:55 PM 工程单位： mm 反馈值PV： 300.0 低限LO： 0.0 高限HI： 500.0 给定值SV： 300.0 手动控制量MAN： 0.0 控制量MV： 21.8 偏差ER： -0.144 7 死区宽度DEAD： 1.0 % % % % 采样时间TS： 2000 比例系数KP： 20.0 积分时间TI： 1500 微分时间TD： 200 ms ms ms 扰动量DISV： 0.0 比例系数P： -2.9 积分系数I： 22.6 微分系数D： 2.0 % 锅炉液位调整.Pdl 手动 自动 锅炉液位趋势图 趋势 变量连接 数值 日期/时间 液位反馈PV Tank_PID\PV 308.0 06-08 16:00:45.350 液位给定SV Tank_PID\SV 300.0 06-08 16:00:45.350 控制量MV Tank_PID\MV 0.0 06-08 16:00:45.350 设定值曲线 控制量曲线 实际液位曲线 图3 系统监控与调试界面 3 结语 本文利用PROFIBUS-DP总线控制技术实现了 液位控制系统的远程控制。实验结果表明：采用 现场总线技术的控制系统，将控制模块放到了工 作现场，并通过总线来传输数据，与传统的控制 系统相比，系统具有更高的灵活性，同时可以节 省大量布线，降低成本，实现系统的远程控制目 标。 参考文献 [1] 马献果，曹奇英，焦阳.现场总线技术的应用及发 展[J].石油化工建设，2006，28(3)：22-24. 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