开关电源MOSFET关断缓冲电路

RC缓冲电路

关键：主电路拓扑结构。

如下电路所示：

RC组成的正激变换器的缓冲电路
 

Q关断，集电极电压开始上升到2Vdc，电容C限制集电极电压的上升速度，并减小上升电压和下降电流的重叠，减低开关管Q的损耗。

下次开关关断前，C必将已充满的电压2Vdc放完，放电路径为C→Q→R。

如：开关管没带缓冲电路

正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同。

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。

如下电路所示
 

关管集电极电流和电压波形。

开关管不带缓冲电路，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。

当开关管带缓冲电路，其集电极电压和电流波形

如下电路所示
 

如上第一个电路图

当Q开始关断，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。

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，同时还可抑制集电极漏感尖峰电压。

如上电路图3中所示

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，且决定电阻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：

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。

因在下一个关断开始时刻即D时刻，必须保证C两端没有电压，所以在B时刻到D时刻间的某时间段内，C必须放电。

实际上，电容C在C-D这段时间内，可通过电阻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：

第一个公式表明：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。

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：

从上面公式即可计算出电容C。

最小导通时间已知，即可得到电阻R的大小。

带RC缓冲的正激变换器主电路

如下电路所示
 

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

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)。

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。

实验结果分析

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：RS1=1．5 kΩ，CS1不定，输入直流电压Vdc为48 V。

结果：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：CSl=33 pF，RS1不定，输入直流电压Vdc为48 V。

结果：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。

次级绕组有缓冲，初级无缓冲

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。

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。

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

此设计初级开关管的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。

审核编辑：汤梓红