干货 | 谈谈RCD的计算方法
发布时间:2019-10-14 13:56

从漏感储能谈谈RCD的计算。反激变压器绕好后,漏感就完全确定了。
首先我们假定电路已经计算完毕,电源电压、连续或者断续工作模式、最大占空比、直流输出电压、匝数比等等均已确定。
漏感储能为功率开关管峰值电流的平方乘以漏感。RCD电路必须在PWM的一个周期内将漏感储能完全释放。
假定反激变换器已经达到稳定工作状态。功率开关管关断时,漏感储能通过二极管D对电容充电。如果电容无穷大,那么电容两端电压不会上升。但实际上电容总是有限值,所以电容两端电压必定上升。在PWM的一个周期内,电阻R必须将电容增加的这些能量完全释放掉。
这个过程,类似于半波整流,不同之处仅在于半波整流电容总是充电到电源峰值,而RCD电路电容充电到多高电压,取决于漏感储能。我们需要考虑的是电容上电压的变化,类似于半波整流的纹波电压。
漏感储能已知,取定电容量之后电容电压增量就可以计算出来。我们又要求电阻R在PWM一个周期内将漏感储能完全释放,即电阻在电容两端电压最大(峰值)变化到最小(谷值)这段时间内把漏感储能释放掉。两个方程联立,即可计算出电容两端电压的峰值和谷值。如果峰值叠加在电源电压加反射电压上之后太大(超过功率开关管降额使用的允许值),那就要减小纹波,即选用更大的电容。如果电阻值不能在一个PWM周期内将漏感储能完全释放,那就要减小电阻。


归根结底,漏感大小是最重要的。所以变压器绕制时总要尽量减小漏感,例如采用夹层绕法(三明治绕法)等等。
我们从反激变换器基本电路开始说起。
图(01)

图(01)是反激变换器主电路,其中控制部分没有画出,功率开关三极管(或者MOS管)集电极上的RCD吸收电路也没有画出。图(01)中各个表示电流方向的箭头,是开关管关断后的电流方向。


图(02)
  Aaa我们先把变压器次级关联电路上下颠倒一下,画成图(02)。这样作的目的,是使变压器两个绕组同名端处于同一方向。当然,二极管D、电容C2、负载RL也要上下颠倒。
  我们再假定变压器两个绕组匝数相同,那么两个绕组两端电压相同。我们把变压器两个绕组——初级和次级,合并成一个,如图(03)。各表示电流方向的箭头仍然如同图(01),是功率开关管关断后的电流方向。
  即使变压器两个绕组匝数不同,也没有关系,我们总可以将次级匝数乘以变压器初级次级匝数之比,将次级匝数换算到初级。


图(03)
  仔细看看图(03),这就是一个Buck-Boost电路(往往称为反转电路)!只不过各元件方向和我们熟悉的Buck-Boost电路不太一样就是了。
  如果还没有看出来,那不妨对照图(04)再看看。图(04)正是一个典型的Buck-Boost电路,图(04)中各元器件标注与图(03)相同,电流方向的标注也相同。图(04)和图(03)的区别,仅仅是输入电源的正端接地,而图(03)是负端接地。接地点选在直流电源的整端还是负端,对电路的工作并无影响。
  所以,反激电路是由Buck-Boost电路把储能电感L换成变压器发展而来,这一点完全正确。


图(04)  可是,Buck-Boost电路从来没有使用过RCD电路来释放功率管关断时电感L中储存的能量——根本没有必要。德州仪器公司以及其它公司生产了那么多Buck-Boost电路(或称为反转电路)芯片,在这些芯片datasheet的典型应用电路中,从来没有提到过需要RCD电路来释放功率管关断时电感中储存的能量。
  为什么Buck-Boost电路不需要RCD电路,而反激电路就需要RCD电路?
  反激电路需要RCD来释放能量,仅仅是因为反激电路把Buck-Boost电路中的储能电感换成了变压器以实现隔离。
  Buck-Boost电路只有一个电感,一个电感当然没有什么漏感。反激电路将电感换成了具有原边和副边绕组的变压器,原边电流产生的磁通不可能完全穿过副边,总有一些磁通没有穿过副边,这就产生了原边对副边的漏感。正是这些漏感所储存的能量,导致功率管关断时功率管集电极或者漏极电压的尖峰。这些尖峰必须用RCD吸收电路释放掉,以免电压过高而击穿功率开关管。RCD电路释放掉的,正是变压器漏感储存的能量。
  
那么,为什么RCD电路不必释放掉功率开关管导通期间变压器原边励磁电流所储存的能量?
  我们知道,正激变换器也需要能量释放电路,以释放掉正激变换器功率开关管导通期间由励磁电流储存在变压器中的能量。但是,反激变换器与正激变换器不同。正激变换器功率开关管关断后,励磁电流所储存在变压器铁芯中的能量不会通过副边整流电路释放——副边电流方向就不允许励磁电流储存的能量通过副边释放,但反激变换器功率开关管关断后,励磁电流储存在变压器铁芯中的能量却可以通过副边整流电路释放——反激变换器功率开关管关断后副边整流电路才开始工作。实际上,反激变换器功率开关管导通期间变压器原边电流完全是励磁电流。