淺析開關(guān)模式電源的諧振坐標(biāo)方法

設(shè)計(jì)開關(guān)模式電源時(shí)，最麻煩的部件是RCD緩沖器。設(shè)計(jì)RCD緩沖器的傳統(tǒng)方法沒有主開關(guān)的關(guān)斷瞬態(tài)期間的詳細(xì)說明。因此，傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)等式也不完全正確。本文將介紹設(shè)計(jì)和分析反激式轉(zhuǎn)換器的RCD緩沖器的新方法。諧振坐標(biāo)提供了一個(gè)了解主開關(guān)關(guān)斷瞬態(tài)期間的簡(jiǎn)單方式，并有助于輕松設(shè)計(jì)和分析RCD緩沖器。

1. 引言

從商業(yè)上講，反激式轉(zhuǎn)換器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕和成本低而得到廣泛使用。但是它的主開關(guān)執(zhí)行硬開關(guān)操作，導(dǎo)致主開關(guān)上有較高的電壓尖峰和振蕩。主開關(guān)的電壓應(yīng)力視電壓尖峰大小而增加。為減少電壓尖峰以便使用更低成本的低額定電壓的MOSFET，最廣泛的方法是RCD緩沖器網(wǎng)絡(luò)。即使緩沖器電壓隨緩沖器電阻降低而降低，但緩沖器網(wǎng)絡(luò)上的功耗增加，導(dǎo)致總系統(tǒng)效率降低。因此，RCD緩沖器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)優(yōu)化以同時(shí)符合主開關(guān)電壓應(yīng)力和總系統(tǒng)效率兩個(gè)要求。

本文將先介紹由主變壓器的漏電感而產(chǎn)生的電壓尖峰的傳統(tǒng)分析。將介紹描述關(guān)斷瞬態(tài)期間的簡(jiǎn)單方式用于進(jìn)一步分析。緩沖器電流將在緩沖器坐標(biāo)中分析，以便提供更詳細(xì)的設(shè)計(jì)等式。

2. RCD緩沖器設(shè)計(jì)和分析

2.1 RCD緩沖器設(shè)計(jì)的一般方法

圖1顯示具有RCD緩沖器的傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器。

圖1：傳統(tǒng)反激式轉(zhuǎn)換器

RCD緩沖器電路用于箝位由漏電感Llk和主開關(guān)漏極至源極的電容CDS之間的諧振導(dǎo)致的電壓尖峰。有多種假定來描述工作原理以設(shè)計(jì)RCD緩沖器，如下所示：

(1) Vsn>nVout和Vsn由于較大的Csn而幾乎恒定：

(2) CDS=COSS+CTRANS，無論vDS(t)如何都恒定：

(3)當(dāng)主開關(guān)Q1關(guān)閉時(shí)，無次級(jí)端漏電感，因此iDS(t)可瞬時(shí)傳輸至次級(jí)端二極管電流iD1(t)，其中Csn是緩沖器電容，CDS是主開關(guān)漏極和源極之間的有效電容，COSS是MOSFET的輸出電容，CTRANS是變壓器一次電路端子之間的有效電容，vDS(t)是主開關(guān)間的電壓，iDS(t)是流過主開關(guān)的電流，而Q1是主開關(guān)。

圖2顯示緩沖器二極管傳導(dǎo)時(shí)的等效電路。

圖2：緩沖器二極管接通期間的等效電路

當(dāng)開關(guān)Q1關(guān)閉時(shí)，主電流對(duì)Q1的COSS充電(同時(shí)對(duì)變壓器的CTRANS放電)。當(dāng)COSS被充電至Vin+nVout時(shí)，次級(jí)端二極管接通，能量傳輸至次級(jí)端，并且對(duì)COSS持續(xù)充電，因?yàn)槁╇姼蠰lk仍有一些剩余能量。當(dāng)Q1的vDS(t)增加至Vin+Vsn，緩沖器二極管Dsn接通，vDS(t)箝位在Vin+Vsn。當(dāng)Dsn傳導(dǎo)時(shí)，Llk上的電壓為Vsn-nVout，這樣Dsn(ts)的導(dǎo)通時(shí)間可獲取如下：

(1)

其中Ipeak是關(guān)閉開關(guān)Q1之前的峰值漏極電流。有兩種方式計(jì)算緩沖器網(wǎng)絡(luò)中的功耗(Psn);通過Dsn提供的電源和Rsn中的功耗，如下所示：

(2)

其中fsw是反激式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。因此，緩沖器電阻Rsn可由下列等式獲得：

(3)

這是查找緩沖器電阻Rsn的傳統(tǒng)方式。但是，L-C諧振幾步后，峰值漏極電流Ipeak被降低了一些。因此，等式(3)可能誤導(dǎo)被過度設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。

讓我們使用諧振坐標(biāo)得出實(shí)際峰值漏極電流，以避免在下一節(jié)過度設(shè)計(jì)RCD緩沖器。

2.2 諧振坐標(biāo)中的RCD緩沖器設(shè)計(jì)和分析

本節(jié)將使用諧振坐標(biāo)設(shè)計(jì)RCD緩沖器。僅設(shè)計(jì)緩沖器時(shí)，無需分析整個(gè)反激式操作模式。圖3顯示每個(gè)模式的等效電路，圖4顯示反激式轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)MOSFET的vDS(t)。