反激拓撲RCD吸收之變壓器漏感
發布時間:2020-12-11 來源:星球號,作者:Preston 責任編輯:lina
【導讀】反激電源的RCD吸收,對電源研發行業從業者來說是非常常見的電路,一般認為為了處理反激電源變壓器漏感帶來的功率管電壓尖峰,需要通過RCD電路進行處理。
反激電源的RCD吸收,對電源研發行業從業者來說是非常常見的電路,一般認為為了處理反激電源變壓器漏感帶來的功率管電壓尖峰,需要通過RCD電路進行處理。盡管十分常見,但是最後還是決定寫一個專題的係列文章,初步估計會有三到四篇文章,內容分別關於變壓器漏感、RCD連接方式、損耗計算和元件選型,希望能帶給讀者一些新的研發思路。
本文適合於電源研發工程師進階閱讀。
一些基本理論
變壓器,一種利用電-磁互相轉化的原理實現能量從一個端口到另一個端口的電子元件,基本結構是磁芯以及繞在同一個磁芯上的兩個或多個繞組。
盡管通常並不會把反激電源變壓器當做典型的變壓器來分析(實踐中往往當做耦合電感),但是變壓器的相關理論顯然仍然適用於反激電源變壓器。
理li想xiang的de變bian壓ya器qi是shi沒mei有you能neng量liang損sun耗hao的de,且qie變bian壓ya器qi各ge個ge繞rao組zu之zhi間jian完wan全quan耦ou合he,這zhe時shi候hou變bian壓ya器qi的de電dian路lu模mo型xing就jiu十shi分fen簡jian單dan。但dan是shi實shi際ji上shang,變bian壓ya器qi在zai進jin行xing電dian-磁-電dian的de轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong,無wu論lun是shi磁ci芯xin還hai是shi繞rao組zu都dou是shi有you損sun耗hao的de,而er且qie繞rao組zu之zhi間jian並bing不bu能neng做zuo到dao完wan全quan耦ou合he。這zhe時shi候hou,變bian壓ya器qi的de電dian路lu模mo型xing就jiu複fu雜za的de多duo。這zhe時shi候hou,可ke以yi使shi用yong等deng效xiao電dian路lu將jiang變bian壓ya器qi轉zhuan換huan為wei基ji本ben的de電dian阻zu、電感等元件,借助基本的電路理論進行一些簡化分析。

上圖是一個簡圖。實際的變壓器耦合不好,導致了漏感L_p、L_s;電流流過變壓器繞組產生的損耗是由於電阻R_p、R_s;在磁芯激勵出磁場才能將能量傳遞到副變,出現了勵磁電感L_m;磁芯中的變化的磁場是需要消耗能量才能維持的,有了勵磁損耗R_m。加上中間的理想變壓器,這就有了實際變壓器的一個近似等效。
這時,中間的理想變壓器隻起到了隔離的作用。通過阻抗變換,我們可以去掉它:

無論變壓器匝數比是多少,我們都可以通過阻抗變換,將變壓器次級的阻抗乘以匝數比的平方,而將變壓器匝數比替換為1:1。一個1:1的變壓器原副邊等電位點連載一起,就得到了變壓器的T型等效電路。
在一般的電力變壓器分析時,考慮到中間的勵磁支路的電流相對負載電流來說很小,將R1、X1上的勵磁電流忽略,那麼勵磁支路就可以移到左側端口,就得到了變壓器的Γ型等效電路:

這時候,同一之路上的阻抗可以合並,變壓器及負載變成了兩個並聯的阻抗支路,分析的時候就十分簡單。
erzaifanjibianyaqigongzuoshi,qishibucunzaishangshufenxishitidaodebianyaqidefuzaidianliu,zaifanjidianluyuanbianraozulicishifubianraozukailu,namezheshikeyibalicizhiluyidongyouceduankou,yuanlishijishiyiyangde,jiubuzhuishule。
前文提到過,變壓器即是耦合電感,變壓器的T型等效電路與耦合電感的T型去耦電路在形式上是一樣的。變壓器可以認為是耦合係數極大的特殊耦合電感,分析時可以適當簡化。
上麵的內容其實在很多教材中都有。這樣的等效電路是變壓器分析時的有效工具,前麵的兩個截圖就是來自本科教材 《電機學》華中科大版。網上有這個書的pdf版,強烈建議電源工程師仔細讀一下其中的變壓器相關章節。(考慮到可能存在的版權問題,這份資料就不上傳到這裏了)
等效漏感分析與優化
這部分結合反激電源的實際情況,寫一下反激拓撲中所謂的漏感從哪裏來。先說結論:反激拓撲中的漏感,主要來自兩個方麵:變壓器自身結構,和PCB走線的寄生電感。
考慮到能讀到這裏的肯定都是進階讀者,反激拓撲的漏感來自變壓器自身結構這個就不多解釋了。
而往往會被忽略的是,PCB走線,尤其是變壓器次級PCB走線的寄生電感,也是反激拓撲的等效漏感的重要來源。PCB走線寄生電感的示意圖如下:

上圖中的L1~L4位置在實踐中都會有一段引線,按前文的理論,其寄生電感都應等效為變壓器漏感,實際上也都會影響到MOSFET的電壓應力。
可能L1~L3對MOSFET電壓應力的影響比較容易理解。如果某位讀者對電感L4影響原邊MOSFET電壓應力有疑問——在原邊MOSFET產生漏感電壓尖峰應力時,L4並沒有電流流過,那麼不妨這樣想:由於L4的阻抗的存在,在原邊MOSFET截止時,變壓器中儲存的能量無法立即開始向次級傳遞,那麼變壓器能量隻能先在原邊流出,直到電感L4的電流上升到足夠大。顯然,由於L4的阻抗,反激電源原邊MOSFET的電壓應力會變高。
在實際的反激電源產品中,這幾段PCB走線的長度大概在幾mm到幾十mm這個範圍,按1nH/mm粗略估算L1~L4這幾段寄生電感大概在幾nH到幾十nH這個數量級。
相對於可能達到數百uH以上的變壓器原邊勵磁電感和往往大於2%的變壓器自身漏感比例,似乎L1~L4的總電感量對實際漏感的影響是可以忽略的,但請回想一下前文的阻抗變換的方法。由於變壓器次級整流電路走線的寄生電感L4需要折算到變壓器原邊,折算方法是乘以變壓器匝比,那麼在某些應用中,L4可能對實際的等效漏感貢獻較大。
比如,假設某個反激電源變壓器的原邊感量為750uH,變壓器匝比20:1 ,變壓器原邊測量漏感比例2%,變壓器漏感為15uH。這個變壓器應用於輸入電壓300VDC,輸出電壓5VDC的反激電源中,變壓器次級整流回路的引線長度8mm,寄生電感為8nH,那麼這段引線寄生電感折算到變壓器原邊時,感量變為

可見這個應用中,變壓器次級整流回路的寄生電感令等效漏感上升了約13%。在類似的高輸入電壓、低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong),由(you)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)原(yuan)副(fu)邊(bian)匝(za)比(bi)較(jiao)大(da),次(ci)級(ji)整(zheng)流(liu)回(hui)路(lu)的(de)引(yin)線(xian)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)對(dui)原(yuan)邊(bian)等(deng)效(xiao)漏(lou)感(gan)的(de)影(ying)響(xiang)可(ke)能(neng)會(hui)十(shi)分(fen)顯(xian)著(zhu),這(zhe)顯(xian)然(ran)會(hui)影(ying)響(xiang)到(dao)功(gong)率(lv)MOSFET的電壓應力和電源的轉換效率。
由於這個專題的主要內容是RCD電路的分析,漏感優化不作為重點內容,就不占用過多篇幅。而由上麵的分析,在這裏想特別提醒的是,反激電源在PCB設計時請盡量縮短變壓器次級整流回路(變壓器引腳-整流二極管-輸出濾波電容組成的回路)的長度和包圍的麵積,這對電源效率、功率元件電壓應力、電磁兼容都有顯著影響。
(來源:星球號——《反激拓撲RCD吸收(1)變壓器漏感》,作者:Preston)
(來源:星球號——《反激拓撲RCD吸收(1)變壓器漏感》,作者:Preston)
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