反激变压器知识连载——缓冲和吸收电路

电路

反激变压器中的漏感能量需要使用特殊的钳位和/或缓冲电路，以帮助保护电源开关和二极管免受电压击穿故障的影响。 RCD 钳位是保护初级电路的常用方法。
一、RCD吸收电路
RCD 钳位通过创建连接到输入电压的低阻抗电压源来工作。电阻器 Rclamp 耗散与漏感能量相关的功率，而钳位电容器确保低电压纹波（见图 1）。钳位电容器电压在开关周期（具有足够大的电容值）期间保持恒定，在满载和最小输入电压时最大，这是漏感能量最大的情况。

图1 使用 RCD 钳位电路时的初级 MOSFET 漏极电压
选择电阻值以保证在最坏情况下（包括长期过载条件）可接受的漏极电压非常重要。二极管的类型也很重要，因为缓慢的正向恢复会影响关断时的最大漏极电压。当然，电阻的功耗能力需要满足应用的需求。
知道漏电感，电阻值可以估计如下，假设没有杂散电容充电，并且所有漏能量都传导到缓冲电容器：

其中 LleakP 是移至变压器初级侧时的总漏感，IpkP是发生关断时的初级电流。该电路还需要进行测试，以验证其他寄生效应的潜在影响，以及公式中忽略的参数的贡献，包括二极管正向电压和恢复特性。此外，如前所述，初级钳位电路设计必须基于效率、峰值漏极电压、输出电流限制和交叉调节之间的权衡。
二、非耗散钳位电路
由于钳位电路中的功率损耗会显着影响整体电源效率，因此衍生出许多电路来最小化或消除这种损耗。尽管在这项工作中取得了成功，但此类解决方案几乎总是会增加额外的电路复杂性，因此需要进行良好的工程权衡分析。有一种创新的替代方案，即在反激式电源变压器中添加一个缓冲绕组。这种类型的钳位电路的工作方式与 RCD 钳位非常不同，如图 2所示。

图2 非耗散钳位电路
这种类型的主要特点是：
• 提高效率，同时降低初级MOSFET 上的电压应力。
• 改进交叉监管。钳位电压不会立即出现。它在换向期间逐渐增加，从而降低了振铃效应。此外，它的最终电压明显低于 RCD 电路，从而实现更平稳和更长的换向。因此，换向期间次级绕组之间共享的电流较少依赖于变压器寄生，因此更好地遵循每个输出的负载水平。
• 在较低负载电流时达到电流限制，这是一个缺点。从初级到次级的转换更渐进（更慢），这意味着更多的伏秒损失。因此，可以在较低的负载电流下达到电源电流限制。
该钳位电路的工作原理是首先吸收钳位电容器中的泄漏能量，然后通过称为缓冲绕组的附加变压器绕组将其回收。理论上，没有能量损失。
三、次级绕组、缓冲器的电压应力
位于反激变压器次级侧的半导体在换向过程中也会受到电压瞬变的影响。在某些情况下，RC 缓冲器等保护电路会很有用（见图3）。

图 3 同步整流器的RC缓冲电路
使用同步整流器时，当从次级整流为初级时，MOSFET 两端的电压应力可能在两种不同情况下发生。首先，在空载时，磁化电流在一个开关周期内改变极性，在同步整流器关闭之前达到峰值负值，导致泄漏能量。此外，如果在换向过程中初级 MOSFET 存在过度的交叉传导，则会出现直接变压器耦合。这会在次级绕组中产生很强的泄漏能量，并增加同步整流器上的电压应力。
其次，在满载时，换向期间两个 MOSFET 之间的死区时间将导致同步整流器的体二极管导通，从而导致反向恢复问题，从而导致同步整流器中的瞬态应力。
图4显示了这两种情况。请注意，在满载时，电压应力在同步整流器关闭之后发生，但恰好在初级 MOSFET 开启时发生，从而确认反向恢复。在空载时，负磁化电流的影响导致同步整流器关闭时的泄漏能量。对于这种特殊情况，Vgs(Sync) 和 Vgs(FET) 没有重叠，这限制了空载时的电压应力。

图4具有 10Ω/1.2nF 缓冲器和 SIR414 MOSFET 的同步整流器上的电压应力
电阻和电容有一个最佳值，超过这个值就不能进一步降低电压应力。通过使用最终变压器和 MOSFET 进行测试来优化缓冲器非常重要。
缓冲器关断损耗可以用这个公式估算，不包括寄生漏源电容：

其中 Csn 是缓冲器电容，IpkS 是峰值负次级电流，LleakS 是移动到次级侧时的次级到初级漏电感。测试并寻找输出二极管两端的电压过冲以确保其额定电压足够，这一点很重要。