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开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解

2017年12月07日 09:41 次阅读

在带变压器的开关电源拓扑中,开关管关断时,电压和电流的重叠引起的损耗是开关电源损耗的主要部分,同时,由于电路中存在杂散电感和杂散电容,在功率开关管关断时,电路中也会出现过电压并且产生振荡。如果尖峰电压过高,就会损坏开关管。同时,振荡的存在也会使输出纹波增大。为了降低关断损耗和尖峰电压,需要在开关管两端并联缓冲电路以改善电路的性能。

缓冲电路的主要作用有:一是减少导通或关断损耗;二是降低电压或电流尖峰;三是降低dV/dt或dI/dt。由于MOSFET管的电流下降速度很快,所以它的关断损耗很小。虽然MOSFET管依然使用关断缓冲电路,但它的作用不是减少关断损耗,而是降低变压器漏感尖峰电压。本文主要针对MOSFET管的关断缓冲电路来进行讨论。

1 RC缓冲电路设计

在设计RC缓冲电路时,必须熟悉主电路所采用的拓扑结构情况。图l所示是由RC组成的正激变换器的缓冲电路。图中,当Q关断时,集电极电压开始上升到2Vdc,而电容C限制了集电极电压的上升速度,同时减小了上升电压和下降电流的重叠,从而减低了开关管Q的损耗。而在下次开关关断之前,C必须将已经充满的电压2Vdc放完,放电路径为C、Q、R。

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解


假设开关管没带缓冲电路,图1所示的正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同。这样,当Q关断瞬间,储存在励磁电感和漏感中的能量释放,初级绕组两端电压极性反向,正激变换器的开关管集电极电压迅速上升到2Vdc。同时,励磁电流经二极管D流向复位绕组,最后减小到零,此时Q两端电压下降到Vdc。图2所示是开关管集电极电流和电压波形。可见,开关管不带缓冲电路时,在Q关断时,其两端的漏感电压尖峰很大,产生的关断损耗也很大,严重时很可能会烧坏开关管,因此,必须给开关管加上缓冲电路。

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解


当开关管带缓冲电路时,其集电极电压和电流波形如图3所示(以正激变换器为例)。

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解


在图1中,当Q开始关断时,其电流开始下降,而变压器漏感会阻止这个电流的减小。一部分电流将继续通过将要关断的开关管,另一部分则经RC缓冲电路并对电容C充电,电阻R的大小与充电电流有关。Ic的一部分流进电容C,可减缓集电极电压的上升。通过选取足够大的C,可以减少集电极的上升电压与下降电流的重叠部分,从而显著降低开关管的关断损耗,同时还可以抑制集电极漏感尖峰电压。图3中的A-C阶段为开关管关断阶段,C-D为开关管导通阶段。在开关管关断前,电容C两端电压为零。在关断时刻(B时刻),C会减缓集电极电压的上升速度,但同时也被充电到2Vdc(在忽略该时刻的漏感尖峰电压的情况下)。电容C的大小不仅影响集电极电压的上升速度,而且决定了电阻R上的能量损耗。在Q关断瞬间,C上的电压为2Vdc,它储存的能量为0.5C(2Vdc)2焦耳。如果该能量全部消耗在R上,则每周期内消耗在R上的能量为:

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解

对限制集电极上升电压来说,C应该越大越好;但从系统效率出发,C越大,损耗越大,效率越低。因此,必须选择合适的C,使其既能达到一定的减缓集电极上升电压速度的作用,又不至于使系统损耗过大而使效率过低。

在图3中,由于在下一个关断开始时刻(D时刻)必须保证C两端没有电压,所以,在B时刻到D时刻之间的某时间段内,C必须放电。实际上,电容C在C-D这段时间内,也可以通过电阻R经Q和R构成的放电回路进行放电。因此,在选择了一个足够大的C后,R应使C在最小导通时间ton内放电至所充电荷的5%以下,这样则有:

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解

式(1)表明R上的能量损耗是和C成正比的,因而必须选择合适的C,这样,如何选择C就成了设计RC缓冲电路的关键,下面介绍一种比较实用的选择电容C的方法。

事实上,当Q开始关断时,假设最初的峰值电流Ip的一半流过C,另一半仍然流过逐渐关断的Q集电极,同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为Ip。那么,通过选择合适的电容C,以使开关管集电极电压在时间tf内上升到2Vdc(其中tf为集电极电流从初始值下降到零的时间,可以从开关管数据手册上查询),则有:
 

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解

因此,从式(1)和式(3)便能计算出电容C的大小。在确定了C后,而最小导通时间已知,这样,通过式(2)就可以得到电阻R的大小。

2 带RC缓冲的正激变换器主电路设计

2.1 电路设计
图4所示是一个带有RC缓冲电路的正激变换器主电路。该主电路参数为:Np=Nr=43匝。Ns=32匝,开关频率f=70 kHz,输入电压范围为直流48~96 V,输出为直流12 V和直流0.5 A。
 

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解



开关管Q为MOSFET,型号为IRF830,其tf一般为30 ns。Dl、D2、D3为快恢复二极管,其tf很小(通常tf=30 ns)。本设计的输出功率P0=V0I0=6 W,假设变换器的效率为80%,每一路RC缓冲电路所损耗的功率占输出功率的1%。这里取Vdc=48 V。

2.2 实验分析

下面分两种情况对该设计进行实验分析,一是初级绕组有缓冲,次级无缓冲;二是初级无缓冲,次级有缓冲。

(1)初级绕组有缓冲,次级无缓冲

该实验测量的是开关管Q两端的漏源电压,实验分以下两种情况:

第一种情况是RS1=1.5 kΩ,CS1不定,输入直流电压Vdc为48 V。

其实验结果为:在RS1不变的情况下,CSl越大,虽然开关管Q的漏感尖峰电压无明显降低,但它的漏源电压变得平缓了,这说明在初级开关管的RC缓冲电路中,CSl应该选择比较小的值。

第二种情况是CSl=33 pF,RS1不定,输入直流电压Vdc为48 V。其结果是:当CS1不变时,RS1越大,开关管Q的漏感尖峰电压越大(增幅比较小)。

可见,RC缓冲电路中,参数R的大小对降低漏感尖峰有很大的影响。在选定一个合适的C,同时满足式(2)时,R应该选择比较小的值。

(2)次级绕组有缓冲,初级无缓冲

本实验以D2、D3的阴极作为公共端来测量快恢复二极管的端压,其结果是,当R不变时,C越大,二极管两端的漏感尖峰越小。同时理论上,如果C为无穷大时,二极管两端的电压中就没有漏感尖峰。而在实际中,只需让二极管两端电压的漏感尖峰电压在其端压峰值的30%以内就可以满足要求了,这样同时成本也不会太高。

2.3 设计参数的确定

通过实验分析可见,在次级快恢复二极管的RC缓冲电路中,当选择了适当大小的电容C时,在满足式(2)的情况下,电阻R应该选择得越小越好。最终经过实际调试,本设计选择的RC缓冲电路参数为:

初级:RS1=200,CSl=100 pF

次级:RS2=RS3=5l,CS2=CS3=1000 pF

本设计的初级开关管的RC缓冲电路中的C值虽然选得稍微比计算值大一些,但损耗也不是很大,因此还是可以接受的。相对初级而言,次级快恢复二极管的RC缓冲电路中的C值就选得比计算值大得多,系统的损耗必然增大。但是,并联在快恢复二极管两端的RC缓冲电路主要是为了改善系统输出性能,因此选择比较大的C值虽然会使系统的整体效率降低,但二极管两端的漏感尖峰就减小了很多,而且输出电压的纹波也可以达到指定要求。

3 结束语

根据以上给出的公式,可以很好而且很方便地选择出合适的RC缓冲电路。但是在工程应用中,应该根据系统设计的性能指标,通过实际调试才能得到真正合适的参数。有时候,为了达到系统的性能指标,牺牲一定的效率也是必要的。总之,在设计RC缓冲电路参数时,必须综合考虑系统性能和效率,最终选择合适的RC参数。

 

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本文以丰富的开关电源案例分析,介绍单端正激式开关电源,自激式开关电源,推挽式开关电源、降压式开关电源...

发表于 2018-03-14 13:45 681次阅读
正激式、自激式、推挽式、降压式、升压式和反转式开...

开关电源EMC过不了?PCB画板工程师有不可推卸...

说起开关电源的难点问题,PCB布板问题不算很大难点,但若是要布出一个精良PCB板一定是开关电源的难点...

发表于 2018-03-14 12:03 3708次阅读
开关电源EMC过不了?PCB画板工程师有不可推卸...

图文并茂Layout对开关电源的重要性

图文并茂Layout对开关电源的重要性。1、静电打坏IC。1.1 VCC电容跟VCC脚越近越好。如下...

发表于 2018-03-13 14:28 581次阅读
图文并茂Layout对开关电源的重要性

电池均衡是有限度的,BMS的均衡电路的数据考虑

EV和HEV都需要在充电和放电阶段承受很大的瞬间电流,充电的时候表现在制动能量回收。对于锂电池而言,...

发表于 2018-03-12 15:57 558次阅读
电池均衡是有限度的,BMS的均衡电路的数据考虑

DVD开关电源电路图大全(厦新8156/蓝光DV...

本文主要介绍了DVD开关电源电路图大全(厦新8156/蓝光DVD/杰科/大宇DVD电源电路详解)。飞...

发表于 2018-03-12 13:50 527次阅读
DVD开关电源电路图大全(厦新8156/蓝光DV...

电路可靠性设计与元器件选型

电路可靠性设计规范包括降额设计(降额参数和降额因子)、热设计(热设计计算、热设计测试、热器件选型)、...

发表于 2018-03-12 09:33 382次阅读
电路可靠性设计与元器件选型

开关电源EMC过不了?精良PCB板一定是开关电源...

.副边的电流比较大,为了走电流,以及整流管散热,采用了这样的布局,整流管在上,BUCK电路MOS管在...

发表于 2018-03-12 08:43 796次阅读
开关电源EMC过不了?精良PCB板一定是开关电源...

抛开概念一文看懂的电磁场理论

在现实中,能量的传递,都是从A到B点,而在微观世界中,能量的传递只有两种,那就是基于粒子传递,如同扔...

发表于 2018-03-10 11:25 539次阅读
抛开概念一文看懂的电磁场理论

高手经验:学电路原理,你得这么做

一个合格的工程师应该把更多的时间留给思考如何最合理地解决问题,而不是花大把时间计算,电路的计算量是非...

发表于 2018-03-10 10:37 726次阅读
高手经验:学电路原理,你得这么做

MOSFET选型注意事项及应用实例

一般IC的PWM OUT输出内部集成了限流电阻,具体数值大小同IC的峰值驱动输出能力有关,可以近似认...

发表于 2018-03-10 10:17 829次阅读
MOSFET选型注意事项及应用实例

如何通过技巧快速进行选型?电源设计浅谈

电容是开关电源中的再普通不过的器件,它可以用来降低纹波噪声,可以用来提高电源的稳定性以及瞬态响应性,...

发表于 2018-03-10 09:34 2901次阅读
如何通过技巧快速进行选型?电源设计浅谈

LED台灯开关电源电路原理分析

本文主要介绍了LED台灯开关电源电路原理分析。SM8002C是电流模式的PWM离线式开关电源开关芯片...

发表于 2018-03-09 15:37 762次阅读
LED台灯开关电源电路原理分析

高手经验:学电路原理,你得这么做

一个合格的工程师应该把更多的时间留给思考如何最合理地解决问题,而不是花大把时间计算,电路的计算量是非...

发表于 2018-03-09 14:42 637次阅读
高手经验:学电路原理,你得这么做

P沟道和N沟道MOSFET在开关电源中的应用

MOSFET多数是载流子器件, N沟道MOSFET在导电过程中有电子流动。 P沟道在导电期间使用被称...

发表于 2018-03-09 14:28 828次阅读
P沟道和N沟道MOSFET在开关电源中的应用

电脑电源维修电路图_电脑电源工作原理

本文主要介绍了电脑电源维修电路图_电脑电源工作原理。220V交流电经过第一、二级EMI滤波后变成较纯...

发表于 2018-03-09 08:51 1574次阅读
电脑电源维修电路图_电脑电源工作原理

开关电源设计中,环路分析可以用来做什么?

可靠性是开关电源设计的核心。虽然工程师希望通过环路分析来判断开关电源是否稳定,但是昂贵的环路分析仪令...

发表于 2018-03-07 08:30 1304次阅读
开关电源设计中,环路分析可以用来做什么?

电视机开关电源电路图大全(九款电视机开关电源电路...

本文主要介绍了电视机开关电源电路图大全(九款电视机开关电源电路原理图详解)。采用STR6309厚膜电...

发表于 2018-03-06 15:01 1016次阅读
电视机开关电源电路图大全(九款电视机开关电源电路...

开关电源节能的冷关断技术解决方案

节能减排是全人类的共同责任, 电信企业作为节能减排的践行者, 减排新技术、新项目的研究, 多措并举全...

发表于 2018-03-06 14:17 747次阅读
开关电源节能的冷关断技术解决方案

几个常用电路

本文将介绍几个常用电路,详情请看下文。

发表于 2018-03-04 15:02 569次阅读
几个常用电路

开关电源共模电感计算与开关电源变压器共模电感设计...

在开关电源中,由于整流二极管和滤波电容以及电感中的电流或电压急剧变化,产生电磁干扰源(noise),...

发表于 2018-03-03 15:59 474次阅读
开关电源共模电感计算与开关电源变压器共模电感设计...

简单的开关电源电路图大全(六款简单的开关电源电路...

本文主要介绍了简单的开关电源电路图大全(六款简单的开关电源电路设计原理图详解)。在开关电源中电源反馈...

发表于 2018-03-02 09:25 2317次阅读
简单的开关电源电路图大全(六款简单的开关电源电路...

“DCR电流检测”随风而去,我得告诉你这几种电路

电源系统设计的挑战之一是电流检测。在降压转换器中,一种流行的“无开销”方法是DCR电流检测。

发表于 2018-03-01 08:43 1886次阅读
“DCR电流检测”随风而去,我得告诉你这几种电路

开关电源中常用的UC384系列芯片的区别解析

UC3842/3843/3844/3845这四种芯片的鉴别方法:用一个0-20V的可调电源接384X...

发表于 2018-02-24 11:18 813次阅读
开关电源中常用的UC384系列芯片的区别解析

万能电源模块原理图 常见故障处理方法

开宇牌智能型开关电源也被称为是万能电源模块,几乎都是在VCD,彩电等接收机开关电源维修的重要设备。为...

发表于 2018-02-18 14:52 602次阅读
万能电源模块原理图 常见故障处理方法

解析开关电源中光耦的作用与光耦反馈接法

在一般的隔离电源中,光耦隔离反馈是一种简单、低成本的方式。但对于光耦反馈的各种连接方式及其区别,目前...

发表于 2018-02-17 19:32 2703次阅读
解析开关电源中光耦的作用与光耦反馈接法

只知道电源电路很重要,原理和布线你了解多少?

从理论上讲,线性电源是用户需要多少电流,输入端就要提供多少电流;开关电源是用户需要多少功率,输入端就...

发表于 2018-02-16 11:31 910次阅读
只知道电源电路很重要,原理和布线你了解多少?

CFD方法电路原理及双极性信号成形方法

介绍PET系统中定时方法时有介绍到目前大部分使用到的是CFD方法,CFD是Constant Frac...

发表于 2018-02-12 05:08 138次阅读
CFD方法电路原理及双极性信号成形方法

60W隔离反激开关电源(SMPS)电路图详解

infineon公司的ICE5QR0680AG是第五代PWM控制器,集成了高压700 V和800 V...

发表于 2018-02-11 05:17 190次阅读
60W隔离反激开关电源(SMPS)电路图详解

开关电源灌胶的目的、要求和对胶的看法 以及EM...

1、防水性,灌封胶将整个产品电气部份严密的包裹起来,与外界完全隔绝;什么水、水气、酸碱盐都挨不到电路...

发表于 2018-02-09 16:01 1601次阅读
开关电源灌胶的目的、要求和对胶的看法  以及EM...

从电路的角度出发,提出了一种新的SOC跨时钟域同...

针对当前SOC内部时钟越来越复杂、接口越来越多以及亚稳态、漏信号等常见的各种问题,分析了以往的优化方...

发表于 2018-02-09 14:30 687次阅读
从电路的角度出发,提出了一种新的SOC跨时钟域同...

24v开关电源电路图大全(五款电源电路设计原理图...

本文主要介绍了24v开关电源电路图大全(五款模拟电路设计原理图详解)。24V开关电源,是高频逆变开关...

发表于 2018-02-07 09:29 3245次阅读
24v开关电源电路图大全(五款电源电路设计原理图...

多种开关电源输出滤波器技术逐步骤的设计过程解析

实践证明,在很多应用中,经过适当滤波的开关转换器可以代替线性稳压器从而产生低噪声电源。哪怕在要求极低...

发表于 2018-02-07 01:01 459次阅读
多种开关电源输出滤波器技术逐步骤的设计过程解析

电路中的晶振起什么作用,你知道吗?

通过晶振的原理图你应该大致了解了晶振的作用以及工作过程了吧。采用谐波次数越高的晶振,其等效电容C1就...

发表于 2018-02-06 12:39 1040次阅读
电路中的晶振起什么作用,你知道吗?

设计滤波器堵住开关电源噪声的方法

开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是,它们最大的缺点...

发表于 2018-02-05 19:25 338次阅读
设计滤波器堵住开关电源噪声的方法

开关电源效率提升技巧汇总

1、在开关电源次级输出端的肖特基上并一个小功率快速二极管来代替RC吸收,效率一般可以提高1~2个点。...

发表于 2018-02-05 09:19 2189次阅读
开关电源效率提升技巧汇总