本文介紹反激式轉(zhuǎn)換器 RCD 緩沖電路的設(shè)計(jì)指南。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，由于主變壓器的漏電感 (Llk) 與 MOSFET 的輸出電容 (COSS) 之間存在諧振，漏極引腳 上會(huì)出現(xiàn)高壓尖峰。漏極引腳上的過高電壓可能導(dǎo)致雪 崩擊穿，并最終損壞 MOSFET。因此，必須添加一個(gè)額 外的電路，實(shí)現(xiàn)電壓箝位。

一個(gè)最簡單的拓?fù)涫欠醇な睫D(zhuǎn)換器。該拓?fù)湓醋砸粋€(gè)升 降壓轉(zhuǎn)換器，將濾波電感替換為耦合電感，如帶有氣隙 的磁芯變壓器。當(dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，能量以磁通形式存儲(chǔ) 在變壓器中，并在主開關(guān)關(guān)斷時(shí)傳輸至輸出。由于變壓 器需要在主開關(guān)導(dǎo)通期間存儲(chǔ)能量，磁芯應(yīng)該開有氣 隙。因?yàn)榉醇な睫D(zhuǎn)換器所需元件很少，因此該拓?fù)浞浅?合適中低功率應(yīng)用，如電池充電器、適配器 和 DVD 播 放器。

圖 1 顯示在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運(yùn)行的反激式轉(zhuǎn)換器，其中包含幾個(gè)寄生元 件，如初級(jí)和次級(jí)漏電感、MOSFET 的輸出電容和次級(jí) 二極管的結(jié)電容。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，初級(jí)電流 (id) 在 短時(shí)間內(nèi)為 MOSFET 的 COSS 充電。當(dāng) COSS (Vds) 兩 端的電壓超過輸入電壓及反射的輸出電壓之和 (Vin+nVo) 時(shí)，次級(jí)二極管導(dǎo)通，因此勵(lì)磁電感 (Lm) 兩 端的電壓被箝位至 nVo。因此，Llk1 和 COSS 之間存在諧 振，具有高頻和高壓浪涌。MOSFET 上過高的電壓可能 導(dǎo)致故障。在 CCM 運(yùn)行模式下，次級(jí)二極管保持導(dǎo)通 直至 MOSFET 柵極導(dǎo)通。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)二 極管的反向恢復(fù)電流被添加至初級(jí)電流，因此在導(dǎo)通瞬 間初級(jí)電流上出現(xiàn)較大的電流浪涌。同時(shí)，由于在 DCM 模式下次級(jí)電流在一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束前干涸， Lm 和 MOSFET 的 COSS 之間存在諧振。

緩沖電路設(shè)計(jì)

可通過添加一個(gè)額外的電路，將由于 Llk1 和 COSS 之間 的諧振產(chǎn)生的過高電壓壓制到一個(gè)可接受的電平，從而 保護(hù)主開關(guān)。圖 2 和 3 顯示 RCD 緩沖電路及其主要波 形。當(dāng) Vds 超過 Vin+nVo 時(shí)，RCD 緩沖電路通過導(dǎo)通緩 沖二極管 (Dsn) 吸收漏電感中的電流。假定緩沖電容足 夠大，以致其電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷并且 Vds 被充電至 Vin+nVo 時(shí)，初級(jí)電 流通過緩沖二極管 (Dsn) 流至 Csn。同時(shí)，次級(jí)二極管導(dǎo) 通。因此， Llk1 兩端的電壓為 Vsn-nVo。i sn 的斜率如下 所示：

?

其中， i sn 指流至緩沖電路的電流， Vsn 指緩沖電容 Csn 兩端的電壓，n 指主變壓器的匝比，Llk1 指主變壓器的漏 電感。時(shí)間 ts 可以表達(dá)為：

其中， i peak 指初級(jí)峰值電流。緩沖電容電壓 (Vsn) 應(yīng)該在最小輸入電壓和滿載條件下 確定。一旦確定了 Vsn，最小輸入電壓和滿載條件下緩沖 電路耗散的功率可以表達(dá)為：

其中，fs 指反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。Vsn 應(yīng)該為 nVo 的 2 至 2.5 倍。若 Vsn 很小，可能導(dǎo)致緩沖電路中出現(xiàn)嚴(yán) 重的損耗，如上面方程式所示。

另一方面，由于緩沖電阻 (Rsn) 消耗的功率為 Vsn2/Rsn， 電阻可由下式得出：

應(yīng)該根據(jù)功耗，選擇緩沖電阻以及合適的額定功率。緩 沖電容電壓的最大紋波可由下式得出：

通常，合理的紋波為 5-10%。因此，可采用上述方程式 計(jì)算緩沖電容。

當(dāng)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為 CCM 運(yùn)行模式時(shí)，漏極峰值電流以及 緩沖電容電壓隨輸入電壓增加而降低。最大輸入電壓和 滿載條件下的緩沖電容電壓可由下式得出：

其中，fs 指反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，Llk1 指初級(jí)端漏電 感，n 指變壓器匝比，Rsn 指緩沖電阻，Ipeak2 指最大輸 入電壓和滿載條件下的初級(jí)峰值電流。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在最大 輸入電壓和滿載條件下以 CCM 模式運(yùn)行時(shí)，Ipeak2 可由 下式得出：

當(dāng)轉(zhuǎn)換器在最大輸入電壓和滿載條件下以 DCM 模式運(yùn) 行時(shí)， Ipeak2 可由下式得出：

其中， Pin 指輸入功率， Lm 指變壓器的勵(lì)磁電感， VDCmax 指整流后的最大直流輸入電壓。驗(yàn)證在瞬變期間和穩(wěn)態(tài)期間， Vds 最大值分別低于 MOSFET 額定電壓 (BVdss) 的 90% 和 80%。緩沖二極 管的額定電壓應(yīng)該高于 BVdss。通常，在緩沖電路中采 用額定電流為 1 A 的超快二極管。

實(shí)例

某個(gè)采用 FSDM311 的適配器具有以下規(guī)格：85 Vac 至 265 Vac 的輸入電壓范圍，10 W 輸出功率，5 V 輸出電 壓，和 67 kHz 開關(guān)頻率。當(dāng) RCD 緩沖電路采用一個(gè) 1 nF 緩沖電容和一個(gè) 480 kW 緩沖電阻時(shí)，圖 4 顯示交流 開關(guān)導(dǎo)通瞬間，在 265 Vac 的幾個(gè)波形。

圖 4. 包含 1 nF 緩沖電容和 480 kW 緩沖電阻的啟動(dòng)波形

在圖 4-7 中，通道 1 至 4 分別代表漏極電壓（Vds，200 V/div），電源電壓 （VCC， 5 V/div），反饋電壓 （Vfb， 1 V/div）和漏極電流（Id，0.2 A/div）。內(nèi)部 SenseFET 上的最大電壓應(yīng)力大約為 675 V，如圖 4 所示。根據(jù)數(shù) 據(jù)表，F(xiàn)SDM311 額定電壓為 650 V。額定電壓過高的原 因有兩個(gè)：錯(cuò)誤的變壓器設(shè)計(jì)和 / 或錯(cuò)誤的緩沖電路設(shè) 計(jì)。圖 5 顯示原因。

圖 5. 穩(wěn)態(tài)波形，帶有 1 nF 緩沖 電容和 480 kW 緩沖電阻

為了保持可靠性，穩(wěn)態(tài)時(shí)的最大電壓應(yīng)力應(yīng)該等于額定 電壓的 80% (650V * 0.8 = 520 V)。圖 5 顯示穩(wěn)態(tài)時(shí)，并 且 Vin = 265 Vac 時(shí)，內(nèi)部 SenseFET 上的電壓應(yīng)力高于 570 V。然而，Vin+nVo 約為 450 V (= 375V + 15 * 5V)， 這說明變壓器匝比為 15，這是一個(gè)合理的值。因此，緩 沖電路必須重新設(shè)計(jì)。

使 Vsn 為 nVo 的兩倍，即 150 V，并且測得的 Llk1 和 i peak 分別為 150 μH 和 400 mA。緩沖電阻計(jì)算如下：

Rsn 釋放的功率計(jì)算如下：

使緩沖電容電壓最大紋波為 10%，則緩沖電容可由下式 得出：

圖 6 和 7 顯示采用 14 kW (3 W) 和 10 nF 時(shí)的結(jié)果。

圖 6. 啟動(dòng)波形，帶有 10 nF 緩沖電容和 14 kW 緩沖電阻

圖 7. 穩(wěn)態(tài)波形，帶有 10 nF 緩沖 電容和 14 kW 緩沖電阻

啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)時(shí)內(nèi)部 SenseFET 上的電壓應(yīng)力分別為 593 V 和 524 V。它們分別為 FSDM311 額定電壓的 91.2% 和 80.6% 左右。