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陶老師:RCD尖峰脈沖吸收電路參數(shù)計(jì)算舉例

發(fā)布時(shí)間:2014-02-18 來源:陶老師 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】前面大家應(yīng)該對(duì)開關(guān)變壓器的相關(guān)理論知識(shí)都有了很多的了解,各部分的計(jì)算方法也有詳盡的介紹。這里陶老師將用實(shí)際的設(shè)計(jì)例子來為大家具體的講解如何去計(jì)算RCD尖峰脈沖吸收電路的參數(shù),讓你先前學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)有很好的融合。具體的相關(guān)實(shí)例計(jì)算大家請(qǐng)?jiān)斠娨韵聝?nèi)容!

接著上次介紹的《雙節(jié)有驚喜,教你計(jì)算電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)》。

1、開關(guān)變壓器初級(jí)線圈漏感Ls的計(jì)算

反激式開關(guān)變壓器的漏感一般都比較大,漏感與初級(jí)線圈電感之比,大多數(shù)都在2~5%之間。漏感的大小主要與變壓器初、次級(jí)線圈的繞法、鐵芯和骨架的結(jié)構(gòu),以及氣隙大小等參數(shù)有關(guān),還與磁通密度取值的大小有關(guān),因?yàn)榇磐芏热〉迷酱?,?dǎo)磁率就會(huì)越小,漏感相對(duì)也要增大。漏感小于2%或大于15%的開關(guān)變壓器,其結(jié)構(gòu)一般都比較特殊。

開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感量的大小,主要與開關(guān)電源的工作頻率有關(guān),還與工作電壓和輸出功率的大小有關(guān)。一般輸出功率越大,工作頻率就越低,電感量相應(yīng)也要增大;而工作電壓越高,電感量也越大。開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感L和漏感Ls的大小可以用儀表直接測(cè)量,一般工作頻率為30~50kHz,工作電壓為AC110V~220V的開關(guān)變壓器,其初級(jí)線圈的電感量大約為:300~1000微亨,漏感大約為:10~100微亨;計(jì)算時(shí),可按3~6%的比例來取值進(jìn)行估算。例如:L=1000uH,則可取 Ls = 30~60uH。

2、尖峰脈沖吸收電容器容量的計(jì)算

要計(jì)算尖峰脈沖吸收電容器容量,首先要計(jì)算流過變壓器初級(jí)線圈電流的最大值。計(jì)算流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。根據(jù)【1-26】式,當(dāng)輸出功率一定時(shí),輸入電壓在一定的范圍內(nèi),流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im和輸出電壓Uo基本是穩(wěn)定的;變壓器初、次級(jí)線圈反激輸出電壓的半波平均值也基本是穩(wěn)定的,與輸入電壓的大小無關(guān),但對(duì)應(yīng)不同的輸入電壓必須對(duì)應(yīng)不同的占空比,參看【1-41】、【1-42】式。

當(dāng)流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的最大電流確定之后,尖峰脈沖吸收電容器容量以及電容充電時(shí)電壓增量的數(shù)值就可以按【1-33】~【1-36】式進(jìn)行計(jì)算。

在實(shí)際應(yīng)用中,電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量的數(shù)值,與開關(guān)管的耐壓BVm的參數(shù)大小有關(guān)。假設(shè)電源開關(guān)管的耐壓BVm為650V,如果預(yù)留20%的余量,那么,正常工作時(shí),加到開關(guān)管D-S極之間的最高脈沖電壓Umds只能達(dá)到520Vp。而在520Vp的Umds電壓之中,電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量等于 )這一項(xiàng)是要首先考慮的。假設(shè)等于Umds電壓的20%,即:等于104 V,當(dāng)最高輸入電壓為360V時(shí)(對(duì)應(yīng)交流輸入電壓為AC253V),根據(jù)【1-39】式可求得:


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假設(shè)漏感Ls與開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感L的比值K為5%,根據(jù)【1-42】式可求勵(lì)磁電感產(chǎn)生的反擊輸出電壓 eu的半波平均值 Upau為:

大多數(shù)反激式開關(guān)電源的最大輸出功率都在100W一下,因?yàn)橛糜诜醇な介_關(guān)電源功率損耗大于10W的電源開關(guān)管種類很少,如需要較大的輸出功率,一般都選用半橋式或全橋式雙激式開關(guān)電源。

假設(shè)開關(guān)電源的最大輸出功率為50W,當(dāng)占空比D = 0.5時(shí),變壓器初級(jí)線圈的反激輸出電壓的半波平均值 Upal與輸入電壓U相等,即,Upal=U =108V,Upau=102.6 V,而流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im等于平均電流的4倍,由此可求得最大輸入電流Im = 1.95A ;假設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量L=1000uH,漏感Ls = 50uH。把這些參數(shù)代入【1-34】式,可求得:

當(dāng)考慮電阻R對(duì)電容器C充電的分流作用,以及開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間,漏極電流對(duì)電容器C充電的分流作用時(shí),根據(jù)【1-36】式,假設(shè)分流系數(shù)r = 0.5 ,則【1-52】式還可改寫為:

上面【1-52】和【1-53】式的計(jì)算結(jié)果,可作為對(duì)RCD尖峰脈沖吸收電路進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),選擇電容器容量的上限和下限,最終結(jié)果需要通過電路試驗(yàn)來決定。

試驗(yàn)時(shí),以輸入電壓和輸出功率的最大值為條件,然后,由大到小,選擇不同容量的電容器做試驗(yàn),用示波器觀測(cè)電源開關(guān)管D-S兩端的電壓,直到Uds與最高耐壓BVm兩者之差能滿足余量要求時(shí),為最佳結(jié)果。

這里順便說明一下,為什么【1-53】式中的分流系數(shù)取值為0.5,而不是其它數(shù)值。因?yàn)?,分流系?shù)r的取值范圍是0~1,它是一個(gè)動(dòng)態(tài)系數(shù),它的大小,除了與輸入電壓和輸出功率和RCD電路中電容、電阻的大小有關(guān)外,還與開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間,以及電流大小有關(guān)系。

3、尖峰脈沖吸收電阻阻值的計(jì)算

紋波電壓的大小與釋放電阻R的大小還有關(guān)。一旦電容器的容量確定之后,釋放電阻R的大小就可以根據(jù)【1-45】~【1-49】來計(jì)算。根據(jù)【1-38】式,電容器兩端最高電壓為:

根據(jù)(46)式,電容器兩端最低電壓為:


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把【1-54】和【1-55】式的結(jié)果代入【1-49】式,即可求出RC的值:

當(dāng)RC的值與開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton完全相等時(shí),【1-46】式的值正好等于0.37,與【1-56】式的結(jié)果非常接近?;蛘弋?dāng)紋波電壓=100V時(shí),由(56)式計(jì)算得到的結(jié)果正好等于0.37,兩者誤差小于4%,因此,可以認(rèn)為RC的值與開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton完全相等,以此為條件來計(jì)算RC的值。即:

把由【1-52】和(2-73)式求出電容器C的結(jié)果,以及根據(jù)【1-25】式求出的Ton值,代入【1-57】式后即可求出電阻R的值。

由于,當(dāng)占空比D小于0.5時(shí),流過電感線圈的電流出現(xiàn)斷流(平均值),這也會(huì)對(duì)分流系數(shù)產(chǎn)生很大的影響,使計(jì)算非常復(fù)雜;為了簡(jiǎn)單,我們?cè)谟?jì)算開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton時(shí),還是以占空比等于0.5為例。

當(dāng)占空比等于0.5時(shí),對(duì)應(yīng)的輸入電壓U為108V,對(duì)應(yīng)的最大電流Im為1.95A,假設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量L=1000uH,根據(jù)【1-45】式,可求得Ton的值為:

把【1-53】、【1-58】式的計(jì)算結(jié)果:C = 4395P,Ton = 18uS ,代入【1-57】式:

即:計(jì)算結(jié)果為:C = 4395P ; R = 4096 歐姆。
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試驗(yàn)結(jié)果表明,【1-53】和【1-59】式的計(jì)算結(jié)果是合理的。當(dāng)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的漏感為5%時(shí),其反激輸出電壓的平均功率也為5%(Pa = 2.5W);由于電容器C兩端電壓的半波平均值為108V,由此可求得電阻R(4096 歐姆)損耗的功率為2.85W,與精確值2.5瓦相差0.35W。這正是把【1-36】式設(shè)為電容器取值范圍下限,對(duì)應(yīng)【1-53】和【1-59】所求得的結(jié)果,即由【1-59】所求得的結(jié)果還是一個(gè)保守的結(jié)果,但其離精確值已經(jīng)非常近。

當(dāng)輸入電壓為最大值(AC260V)的時(shí)候,其占空比大約只有0.3左右,因此,電容器充電的時(shí)間要比放電的時(shí)間長(zhǎng)很多;在電容器還處在充電期間,變壓器初級(jí)線圈就會(huì)出現(xiàn)斷流,這相當(dāng)于電容器會(huì)提前放電,其結(jié)果與占空比等于0.5時(shí)的結(jié)果基本相同。但做試驗(yàn)時(shí),最好還是以輸入電壓為最大值時(shí)為準(zhǔn)。如電阻R的值取得小些,相當(dāng)于分流系數(shù)r降低,這對(duì)降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗是有好處的,因?yàn)?,開關(guān)變壓器漏感儲(chǔ)存的磁能量,一部分是通過開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的損耗來釋放的,另一部分則是通過RCD回路中的電容充電和電阻分流來進(jìn)行釋放;但電阻的阻值取得太小,又會(huì)從勵(lì)磁電感線圈存儲(chǔ)的能量中吸收能量,降低開關(guān)電源的工作效率。

在反激式開關(guān)電源中,很多人用一個(gè)穩(wěn)壓二極管來代替RCD電路中的電阻和電容,用以對(duì)開關(guān)管進(jìn)行過壓保護(hù),如圖8所示。從原理上來說,這種方法對(duì)開關(guān)管的過壓保護(hù)是非常有效的,但實(shí)踐證明,這種保護(hù)方法可靠性是非常差的。因?yàn)?,?dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),1.95A(以上面計(jì)算結(jié)果為例)的電流流過150~200V的穩(wěn)壓二極管,其產(chǎn)生的瞬時(shí)功率高達(dá)290~390W,這么大的瞬時(shí)功率很容易使穩(wěn)壓二極管損傷,當(dāng)損傷程度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)后,就會(huì)產(chǎn)生熱擊穿,造成永久失效。

圖8

另外,當(dāng)穩(wěn)壓二極管還沒擊穿之前,它不會(huì)對(duì)開關(guān)管分流,從而大大增大開關(guān)管的關(guān)斷損耗;并且,流過穩(wěn)壓二極管的電流還產(chǎn)生很大的電流突跳,很容易產(chǎn)生高頻電磁輻射。因此,對(duì)開關(guān)管進(jìn)行過壓保護(hù),在技術(shù)性能方面,選用RC要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于選用穩(wěn)壓二極管。

減小開關(guān)變壓器的漏感是提高開關(guān)電源工作效率和工作可靠性的最好方法,但這一點(diǎn)很少有人注意。

【連載】陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計(jì):

雙節(jié)有驚喜,教你計(jì)算電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)
http://coahr.cn/power-art/80022319

陶老師教你:對(duì)漏感與分布電容的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析
http://coahr.cn/power-art/80022290
陶老師精講:?jiǎn)渭な介_關(guān)電源的基本電路
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線圈電感量的計(jì)算及幾種典型電感介紹
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開關(guān)變壓器的漏感工作原理及計(jì)算
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開關(guān)變壓器鐵芯脈沖導(dǎo)磁率與平均導(dǎo)磁率的測(cè)量
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http://coahr.cn/power-art/80022171
單激式開關(guān)變壓器鐵芯磁滯損耗、渦流損耗的測(cè)量
http://coahr.cn/power-art/80022170

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