mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)

RC缓冲电路

关键:主电路拓扑结构。

如下电路所示:

RC组成的正激变换器的缓冲电路

mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)(1)

Q关断,集电极电压开始上升到2Vdc,电容C限制集电极电压的上升速度,并减小上升电压和下降电流的重叠,减低开关管Q的损耗。

下次开关关断前,C必将已充满的电压2Vdc放完,放电路径为C→Q→R。

如:开关管没带缓冲电路

正激变换器的复位绕组和初级绕组匝数相同。

当Q关断瞬间,储存在励磁电感和漏感中的能量释放,初级绕组两端电压极性反向,正激变换器的开关管集电极电压迅速上升到2Vdc。

同时,励磁电流经二极管D流向复位绕组,最后减小到零,此时Q两端电压下降到Vdc。

如下电路所示

mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)(2)

关管集电极电流和电压波形。

开关管不带缓冲电路,在Q关断时,其两端的漏感电压尖峰很大,产生的关断损耗也很大,严重时很可能会烧坏开关管,因此,必须给开关管加上缓冲电路。

当开关管带缓冲电路,其集电极电压和电流波形

如下电路所示

mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)(3)

如上第一个电路图

当Q开始关断,其电流开始下降,而变压器漏感会阻止这个电流的减小。

一部分电流将继续通过将要关断的开关管。

一部分则经RC缓冲电路并对电容C充电,电阻R的大小与充电电流有关。

Ic的一部分流进电容C,可减缓集电极电压的上升。

通过选取足够大的C,可以减少集电极的上升电压与下降电流的重叠部分,从而显著降低开关管的关断损耗,同时还可抑制集电极漏感尖峰电压。

如上电路图3中所示

A-C阶段:为开关管关断阶段,C-D为开关管导通阶段。

在开关管关断前,电容C两端电压为零。

在关断时刻(B时刻),C会减缓集电极电压的上升速度,但同时也被充电到2Vdc

(在忽略该时刻的漏感尖峰电压的情况下)。

电容C的大小不仅影响集电极电压的上升速度,且决定电阻R上的能量损耗。

在Q关断瞬间,C上的电压为2Vdc,它储存的能量为0.5C(2Vdc)2焦耳。

如果该能量全部消耗在R上,则每周期内消耗在R上的能量为:

mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)(4)

对限制集电极上升电压来说,C应该越大越好;

但从系统效率出发,C越大,损耗越大,效率越低。

因此,必须选择合适的C,使其既能达到一定的减缓集电极上升电压速度的作用,又不至于使系统损耗过大而使效率过低。

因在下一个关断开始时刻即D时刻,必须保证C两端没有电压,所以在B时刻到D时刻间的某时间段内,C必须放电。

实际上,电容C在C-D这段时间内,可通过电阻R经Q和R构成的放电回路进行放电。

因此,在选择了一个足够大的C后,R应使C在最小导通时间ton内放电至所充电荷的5%以下,这样则有:

mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)(5)

第一个公式表明:R上的能量损耗是和C成正比的,因而必须选择合适的C,这样,如何选择C就成了设计RC缓冲电路的关键。

事实上,当Q开始关断时,假设最初的峰值电流Ip的一半流过C。

另一半仍然流过逐渐关断的Q集电极,同时假设变压器中的漏感保持总电流仍然为Ip。

那么,通过选择合适的电容C,以使开关管集电极电压在时间tf内上升到2Vdc(其中tf为集电极电流从初始值下降到零的时间,可以从开关管数据手册上查询),则有:

mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)(6)

从上面公式即可计算出电容C。

最小导通时间已知,即可得到电阻R的大小。

带RC缓冲的正激变换器主电路

如下电路所示

mosfet的关断过程(开关电源MOSFET关断缓冲电路)(7)

一个带有RC缓冲电路的正激变换器主电路。该主电路参数为:Np=Nr=43匝。Ns=32匝,开关频率f=70 kHz,输入电压范围为直流48~96 V,输出为直流12 V和直流0.5 A。

开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路

开关管Q为MOSFET,型号为IRF830,其tf一般为30 ns。Dl、D2、D3为快恢复二极管,其tf很小(通常tf=30 ns)。

输出功率P0=V0I0=6 W

假设变换器的效率为80%,每一路RC缓冲电路所损耗的功率占输出功率的1%,这里取Vdc=48 V。

实验结果分析

下面分两种情况对该设计进行实验分析,一是初级绕组有缓冲,次级无缓冲;二是初级无缓冲,次级有缓冲。

(1)初级绕组有缓冲,次级无缓冲

该实验测量的是开关管Q两端的漏源电压,实验分以下两种情况:

第一种情况:RS1=1.5 kΩ,CS1不定,输入直流电压Vdc为48 V。

结果:在RS1不变的情况下,CSl越大,虽然开关管Q的漏感尖峰电压无明显降低,但它的漏源电压变得平缓了,这说明在初级开关管的RC缓冲电路中,CSl应该选择比较小的值。

第二种情况:CSl=33 pF,RS1不定,输入直流电压Vdc为48 V。

结果:当CS1不变时,RS1越大,开关管Q的漏感尖峰电压越大(增幅比较小)。

可见,RC缓冲电路中,参数R的大小对降低漏感尖峰有很大的影响。在选定一个合适的C,同时满足式(2)时,R应该选择比较小的值。

次级绕组有缓冲,初级无缓冲

以D2、D3的阴极作为公共端来测量快恢复二极管的端压,其结果是,当R不变时,C越大,二极管两端的漏感尖峰越小。

理论上:如果C为无穷大时,二极管两端的电压中就没有漏感尖峰。而在实际中,只需让二极管两端电压的漏感尖峰电压在其端压峰值的30%以内就可以满足要求了,这样同时成本也不会太高。

设计参数的确定

通过实验分析可见,在次级快恢复二极管的RC缓冲电路中,当选择了适当大小的电容C时,在满足式(2)的情况下,电阻R应该选择得越小越好。最终经过实际调试,本设计选择的RC缓冲电路参数为:

初级:RS1=200,CSl=100 pF

次级:RS2=RS3=5l,CS2=CS3=1000 pF

此设计初级开关管的RC缓冲电路中的C值虽然选得稍微比计算值大一些,但损耗也不是很大,因此还是可以接受的。

相对初级而言,次级快恢复二极管的RC缓冲电路中的C值就选得比计算值大得多,系统的损耗必然增大。

但是,并联在快恢复二极管两端的RC缓冲电路主要是为了改善系统输出性能,因此选择比较大的C值虽然会使系统的整体效率降低,但二极管两端的漏感尖峰就减小了很多,而且输出电压的纹波也可以达到指定要求。

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