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【工程师6】+理论类+PWM钳位模式RCD吸收电路
阅读: 3200 |  回复: 13 楼层直达

2019/08/27 13:37:50
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boy59[版主]
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LV9
军长

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 由于漏感的存在单端反激变压器一般都需要加吸收或钳位电路来抑制尖峰电压,在MOS管关断阶段RCD吸收电路的等效模型如下:

RCD等效模型

                                        1 RCD吸收等效模型

1可见RCD吸收在Toff阶段很像Boost电路的工作方式,反射电压Vor作为驱动源也会被吸收掉一部分能量。提高电压Uc可以减少对反射电压Vor的吸收从而提高效率,受MOS管耐压限制Uc上限不能大于Vdsmax

RCD电路设计好之后参数是固定的,当输入电压、负载变换时不能始终满足高效状态,比如轻载时效率降低、低压输入时效率降低。出于这一原因有人用齐纳管替代电阻实现参数可变以满足不同工况下的效率,由于大功率的齐纳管价格较高所以设想一种工作于PWM模式下的RCD吸收电路使其具有齐纳管的特性、RCD的低成本。

标签 反激 PWM
2019/08/27 13:57:55
2
boy59[版主]
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LV9
军长

这种PWM钳位模式RCD吸收电路如下:

RCD与PWM钳位RCD对比

                                2 普通RCD吸收与PWM钳位RCD吸收

上图(b)的原理是利用两个三极管构成滞回比较器电路(PWM发生器),用一颗功率电阻替代开关电源中的电感L进行PWM占空比调制,由于三极管只工作于开和关功率很小,主要损耗依然是降在功率电阻上(等效电阻可调)。

(把图中电路除功率电阻外的器件都封装在一起,体积上应当是可以接受的。)

2019/08/27 14:37:37
3
boy59[版主]
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LV9
军长

接下来进行仿真验证:

输入电压300V,负载2欧姆-50欧姆-2欧姆变化(变换时刻10mS20mS),钳位电路电压设置为160V

高压波形对比

                                      3 高压输入负载变换时对比

由图3(b)可见这种PWM钳位RCD吸收效果跟齐纳管很像,电容Uc的电压重载、轻载几乎不变,相对于普通RCD吸收轻载效率得到提升。(Uc为吸收电容对地的电压,等于电容电压+Uin

高压满载波形对比

                                     3-1 高压满载波形展开

高压轻载对比

                                       3-2 高压轻载波形展开

2019/08/28 11:03:08
4
boy59[版主]
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LV9
军长

根据目前的仿真参数绘制出不同钳位电压下RCD电路对初级电感Lp的能量吸收情况。

反射电压损耗

                                     4 钳位电压与初级电感Lp的能量吸收关系

曲线后段随着钳位电压Uc的上升曲线变缓对效率的提升不明显了。

2019/08/28 15:57:36
5
boy59[版主]
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LV9
军长

关于RCD电路中二极管的反向恢复时间对EMI及效率的影响,分别假设三种反向恢复时间情况如下:

快恢复二极管

                                         5-1 快恢复二极管

1uS恢复二极管

                                          5-2 恢复时间1uS二极管

2uS恢复二极管

                                          5-3 恢复时间2uS二极管

上面三个仿真显示恰当的二极管反向恢复时间有助于降低EMI噪声及提高电源效率,分析其原因为二极管在反向恢复期间电路可等效为有源钳位电路。(负载4欧姆)

2019/08/30 13:27:06
6
boy59[版主]
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LV9
军长

通常RCD电路都是放在高端(一头接母线电容),为何不将其放在低端如下图?

上端下端钳位电路

                                                6 高、低端钳位

等效电路如下:

等效电路对比

                                   6-1 高、低端钳位等效电路

从等效电路上看将RCD电路放在低端后会增加一个Vin比例的损耗,仿真验证如下:

高低端对比

                                     6-2 高、低端损耗仿真验证

仿真结果RCD电路放在低端的输入损耗增加0.8W,理论计算损耗增加1W二者略有差异。(100V输入72W输出)

RCD放在低端的一般会把二极管和电容互换位置作为Snubber(吸收、缓冲)电路来用。也有资料把Snubber电路放在高端作为Clamp(钳位)电路来用的,这样的用法有什么特点?

2019/08/30 14:59:12
7
boy59[版主]
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LV9
军长

增加Snubber对比

                                6-3 增加Snubber吸收后的波形、效率对比

在原电路基础上只增加Snubber电路,调节到一个恰当的参数后对效率几乎无影响但对降EMI效果非常好。

2019/08/30 21:45:16
8
boy59[版主]
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LV9
军长

Snubber等效电路 

            6-4 并联Snubber的等效电路

Mos管并联Snubber电路后等效电路如上图,其中漏感Lk和并联的CossCs电容发生谐振,电阻Rs为漏感Lk和电容Cs的阻尼电阻,验证如下:

震荡 

                                                   6-5 欠阻尼震荡波

在图6-5中电容Coss=50pFCs=200pFRs=100Lk=20uH。将波形展开后其谐振周期应为2*pi*sqr[Lk*(Coss+Cs)]

谐振周期 

                                                   6-6 震荡周期

6-6显示仿真值和计算值近乎一致。在前面给的参数中阻尼电阻Rs=100太小,按公式Rs=2*sqr(Lk/Cs)=632重新设置参数后仿真如下:

阻尼震荡 

                                                  6-7 阻尼震荡

根据仿真的结果当电容Cs>3*Coss时选择恰当的阻尼电阻可以较好的消除多次震荡。

另一个问题,如果Snubber电路直接用在高端效果会怎样?

2019/09/11 09:54:42
9
boy59[版主]
电源币:1286 | 积分:118 主题帖:63 | 回复帖:303
LV9
军长

这种PWM模式RCD钳位的思路原来在很早之前就有相关应用了。

线性和开关调整基本类型

                         7 线性与开关调整器基本类型

上图是从线性的LDO过渡到开关型的Buck,其中红框的电路又叫做直流储桶式调整器可以将BJT上的损耗转移到电阻R上,虽然不会提高效率但用于RCD钳位电路中还是很不错的。

2019/09/11 22:22:00
10
麦浪7
电源币:18 | 积分:1 主题帖:1 | 回复帖:18
LV2
班长
那我们实际设计的时候,反激变换器的RCD吸收电路的Vclamp一般是先设定一个值,还是要通过MOS管的应力去算,需要引入一阶RC电路的概念来通过时间常数来计算吗,R、C、D如何正确选择
2019/09/12 10:40:19
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boy59[版主]
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LV9
军长

一般先按占空比D趋近0.5来设计然后可知反射电压Vor再到钳位电压Vclamp最后选MOS管应力,从效率的角度考虑一般Vclamp要大于1.3倍的Vor,见下图

上图x轴是Vclamp电压与Vor电压之比,y轴为RCD损耗占总功率的百分比,钳位电压Vclamp越高RCD的损耗越小,MOS管的应力决定了Vclamp的上限(还要考虑高低压输入情况)。

RCD的选择参考标准公式再加一个0.7倍的系数修正:

二极管D用慢管效果比较好无论是效率还是EMI,可能二极管的反向恢复具有不确定性有些公司不建议用慢管。除了二极管的反向恢复还有漏感测量级寄生参数等问题,按上述公式预设完参数后再上机实际调整一下。

2019/09/15 08:59:50
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麦浪7
电源币:18 | 积分:1 主题帖:1 | 回复帖:18
LV2
班长

那楼主能不能解释一下RCD在在开关时的这个公式,

2019/09/16 10:09:11
13
boy59[版主]
电源币:1286 | 积分:118 主题帖:63 | 回复帖:303
LV9
军长
这个公式的出处是?看着不像RCD吸收有点像Qr的计算。
2019/10/16 09:38:53
14
hao1855
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:6
LV1
士兵
是呀,请问楼主有没有完整EXCEL 表格的公式,可以直接写入数据后,就有结果的
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