對反激電源吸收電路設計方法的討論與思考

林 為，胡昌吉，馮澤君，李 姍，鄭 亞

（佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

開關電源的開關管工作在高頻通斷狀態，存在交流開關損耗。開關頻率越高，開關損耗越大[1]。同時，開關電源不可避免地存在儲能電感（或漏電感）和電容（或寄生電容），在開關管關斷時，電感儲存的能量要擇路釋放，將在電路中產生尖峰過電壓和振蕩現象。如果尖峰電壓過高，就會損壞開關管，振蕩也會使輸出紋波增大，從而影響系統的EMI性能。為了降低尖峰電壓，確保器件安全，降低損耗，改善電路性能，通常需要設計吸收電路。

除了專門用途的開關電源，如充電器、逆變器以及變頻器等，很多電子電氣系統或產品都需要給控制器提供輔助工作電源，作為弱電控制的能量源[2]。這種輔助電源具有功率小和輸出電源組數多的特點，此時反激式開關電源成為首選。反激電源的變壓器大都開了氣隙，漏感比較大，因漏感造成的尖峰電壓較高，因此吸收電路在電子電氣系統中很常用。

1 吸收電路原理概述

反激電源的吸收電路如圖1所示，二極管D、電容C以及電阻R構成RCD吸收電路。開關管Q導通時，變壓器初級勵磁儲存能量，二極管D反偏截止，電容C通過電阻R放電。當Q關斷的瞬間，變壓器所有繞組電壓反向，次級二極管導通，初級電感儲存的能量向負載傳遞，但漏感Lk屬于不耦合電感，無法通過次級釋放能量，必然在Q的漏極產生尖峰電壓，二極管D導通，漏感能量通過D對C充電，形成LC諧振[2]。

圖1 反激電源的吸收電路

開關管Q關斷時，其DS兩端的電壓由直流輸入電壓Uin、次級感應電壓UOR以及漏感產生的尖峰電壓Uspike疊加而成，即：

如果該電壓超過開關管額定耐壓，將會損壞開關管，因此需要限制這個電壓的峰值，使得它小于開關管的額定電壓[3]。

2 RCD吸收電路設計方法一

設計合理的吸收電路，電容C兩端的電壓如圖2所示。開關管Q斷開時，漏感Lk通過二極管D給電容C快速充電，電壓迅速上升，到達最大值后開始對R放電。Q再次開通時，電容電壓剛好降到次級反射電壓UOR附近。Q再次關斷前，電壓達到最小值，也就是說電容C只吸收漏感沖擊電壓Uspike，而不對Uin和UOR起作用，否則不僅增大電阻R的發熱，還會降低電源的效率。

圖2 吸收電路合理的電壓波形

因R阻值較大，開關管Q關斷時，可近似認為Lk與C發生串聯諧振，經過1/4諧振周期電流反向，二極管D截止，這段時間很短，可認為RC放電過程持續整個開關周期。

文獻[4]通過對電容放電過程做線性化處理，得到：

式中，Ucmax為電容充電獲得的最高電壓，Np和Ns分別為變壓器初級和次級匝數，Vo為輸出電壓，Dmax為占空比最大值。

同時假設電容從Ucmax下降到UOR所用的時間為開關關斷的時間，充電時間很短忽略不計，則利用電容的放電公式可得：

式中，T為開關周期。為了計算R和C的具體數值，在整個周期內運用RC放電公式得：

式中，Ucmin為開關管導通結束瞬間電容電壓的最小值。

再根據能量關系有：

式中，Lk為漏感，Ip為關斷時的開關管峰值電流，也是漏感的峰值電流。

將式（3）和式（4）代入式（5），得：

再結合式（3），得：

3 RCD吸收電路設計方法二

文獻[3]的研究者認為，電容C兩端的電壓在一個周期內從最大值USN（即本文提到的最大值Ucmax）下降到UOR，以此來計算理想的吸收電容最小值。

漏電感儲存的能量等于開關管斷開后電容吸收漏感能量后的總能量減去開關管關斷前電容的能量，即：

式中，U為電容的初始電壓，等于UOR，U+ΔU為電容的最大電壓，ΔU為一個周期內電容兩端的壓差，即ΔU=Ucmax-UOR，最后得到：

為了在每個周期內將吸收的能量全部釋放，設定開關周期T=(2～4)RC，可求得電阻值為：

4 兩種方法的討論與思考

上述兩種設計方法的共同點，都是從能量的角度出發，令電容吸能與釋能后的能量差等于漏感儲存的能量，計算電容的容量，但兩者采用的變量明顯不同。

方法一以占空比來計算R和C的值，其中研究者對電容的放電曲線進行線性化處理，將電容充電時獲得的最大電壓表示為占空比Dmax的函數，得到式（2）。這個結果值得商榷，因為該公式表明，占空比越小，Ucmax反而越大。原理上，在其他電路參數不變的條件下，Ucmax正比于漏感儲存的能量，也就是初級峰值電流Ip，而Ip與開關管導通時間ton成正比，占空比越大，理應Ucmax也越大。由此可見，這種線性化處理可能帶來較大偏差。

另外，為了計算R和C的取值，需在最大占空比Dmax的條件下來確定RC值。筆者認為此處應采用最小占空比Dmin，原因是如果占空比再減小，次級導通時間toff增加，電容電壓在開關管再次導通前已下降到UOR，二極管D會再次導通，吸收電路將消耗磁芯能量，降低電源效率。

方法二以電容的初始電壓U以及電壓變化量ΔU來計算電容值，見式（8）。研究者認為開關管關斷瞬間電容承受的電壓為USN，即最大值Ucmax，到下次關斷時電壓為UOR，并以此來計算電容的能量差以及電容值。筆者認為，開關管再次關斷時，電容的電壓并非UOR。參考圖2，在toff的下降沿（即關斷結束時刻），電容電壓uc下降到UOR附近，當開關管導通時，二極管D關斷，C繼續通過R放電，電壓繼續下降，在開關管再次關斷前到達最小值Ucmin。開關管每次關斷時，電容電壓是從Ucmin開始上升，而不是UOR。Ucmin是個未知數，工程上可根據經驗設定一個預設值來計算電容量，再進行調試獲得最佳效果。

實踐中常用的設計方法是計算最大輸入電壓Uinmax，根據所選開關管的耐壓，并預留裕量。確定安全的電壓峰值（振鈴高度）Udsmax，計算次級反射電壓UOR，根據Ucmax=Udsmax-Uinmax-UOR確定電容峰值電壓。開關管再次關斷前，設定一個放電終止電壓Ucmin，即可根據方法二計算吸收電容C的容量。容量確定后，根據電容的放電公式計算電阻R的值，其功率應大于計算值的兩倍。

理論設計完成后，通過實際調試，獲得最佳的吸收電路參數，這是因為吸收電路要改善的波形主要是由電路的寄生元件引起[5]。調試時，應遵循先低壓后高壓，再由輕載到重載的原則。

5 結 論

對反激電源來說，吸收電路屬于優化電路。為了降低芯片或開關管損壞風險，降低器件選型成本，實踐中廣泛使用吸收電路。吸收電路有多種設計方法，核心都是從能量的角度出發，令電容吸能與釋能后的能量差等于漏感儲存的能量，來計算電容的容量。然而吸收電路的設計還要與實踐經驗結合，而不是單純進行理論計算，只有通過實際調試，才能獲得最佳的吸收電路參數。