反激式变换器中RCD箝位电路的设计分析

RCD 箝位反激变换器的设计与实现
1 引言
反激变换器具有电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、电压升/降范围宽、易于多路输出等优点，因而是逆变器辅助开关电源理想的电路拓扑。

然而，反激变换器功率开关关断时由漏感储能引起的电压尖峰必须用箝位电路加以抑制。

由于RCD 箝位电路比LCD 箝位、有源箝位电路更简洁且易实现，因而RCD 箝位反激变换器在小功率变换场合更具有实用价值。

将RCD 箝位反激变换器与峰值电流控制技术结合在一起，便可获得高性能的逆变器辅助开关电源。

本文主要论述RCD 箝位反激式变换器的原理，介绍了UC3843 电流控制型脉宽调制器的各种设置，并给出了设计实例与试验结果。

2 RCD 箝位反激式变换器的原理
2.1 功率电路
采用RCD 箝位的反激变换器，如图1 所示。

当功率开关S 关断时，变压器T 漏感的储能将转移到箝位电容C 中，并在电阻R 上消耗，从而使功率开关S 关断时产生的电压尖峰得到了有效的抑制。

然而，箝位电路参数对反激变换器的性能有重要的影响。

选取不同R、C 值时，箝位电容电压波形如图2 所示。

图2(a)中，C 取值较大，C 上电压缓慢上升，副边反激过冲小，变压器原边能量不能迅速传递到副边；图2(b) 中，R、C 值合适，C 上电压在S 截止瞬间冲上去，然后D 截止，C 通过R 放电，到S 开通瞬间，C 上电压应放到接近(N1/N2)Uo；图2(c)中，R、C 均偏小，C 上电压在S 截止瞬间冲上去，然后因为RC 时间常数小，C 上电压很快放电到等于(N1/N2)Uo，此时RCD 箝位电路将成为反激变换器的死负。

反激式电源中MOSFET的RCD缓冲电路设计分析对于一位开关电源工程师来说，在一或多相互立的条件面前做出选择，那是常有的事。

而我们今天讨论的这个话题就是一对相互对立的条件。

（即要限制主MOS 管最大反峰，又要RCD 吸收回路功耗最小）在讨论前我们先做几个假设，①开关电源的工作频率范围:20~200KHZ；② RCD 中的二极管正向导通时间很短（一般为几十纳秒）；③在调整RCD 回路前主变压器和MOS 管，输出线路的参数已经完全确定。

有了以上几个假设我们就可以先进行计算：一﹑首先对MOS 管的VD 进行分段：ⅰ，输入的直流电压VDC ；ⅱ，次级反射初级的VOR ；ⅲ，主MOS 管VD 余量VDS ；ⅳ，RCD 吸收有效电压VRCD1 。

二﹑对于以上主MOS 管VD 的几部分进行计算：ⅰ，输入的直流电压VDC 。

在计算VDC 时，是依最高输入电压值为准。

如宽电压应选择AC265V，即DC375V。

VDC ＝VAC * √2ⅱ，次级反射初级的VOR 。

VOR 是依在次级输出最高电压,整流二极管压降最大时计算的，如输出电压为：5.0 V±5% （依Vo =5.25V 计算），二极管VF 为0.525V （此值是在1N5822 的资料中查找额定电流下VF 值）．VOR ＝(VF +Vo)*Np/Nsⅲ，主MOS 管VD 的余量VDS ． V ds 是依MOS 管V d 的10%为最小值．如KA05H0165R 的Vd =650 应选择DC 65V．VDC ＝VD* 10%ⅳ，RCD 吸收VRCD ． MOS 管的VD 减去ⅰ，ⅲ三项就剩下VRCD 的最大值。

实际选取的VRCD 应为最大值的90%（这里主要是考虑到开关电源个元件的分散性，温度漂移和时间飘移等因素得影响）。

V rcd ＝(V d -Vdc -Vds )*90%注意：①VRCD 是计算出理论值，再通过实验进行调整，使得实际值与理论值相吻合．②Vrcd 必须大于Vor 的1.3倍．（如果小于1.3倍，则主MOS 管的Vd 值选择就太低了）③MOS 管Vd 应当小于Vdc 的2倍．（如果大于2倍，则主MOS 管的Vd 值就过大了）④如果VRCD 的实测值小于VOR 的1.2倍，那么RCD 吸收回路就影响电源效率。

反激式开关电源的RCD吸收电路的设计如上图所示，分析如下一：设计电路的原则①限制MOS功率管的最大反向峰值电压②减小RCD电路的损耗。

上述两者，是相互矛盾的，取折中的办法。

二：设计RCD吸收电路的过程在设计之前，电路的频率、主变压器、输出电路的参数、MOS功率管全部确定。

①计算在最大输入交流电压时，输出的最大直流电压VDCVDC=1.4*V AC单位：Ｖ②次级电压反射到初级的等效电压ＶＯＲＶ(ＯＲ)=(ＶＦ+ＶＯ)*ＮＰ/ＮＳＶＦ:二极管的正向最大电压降，单位：ＶＶＯ:输出的电压值，考虑精度波动范围,单位：ＶＮＰ:初级匝数ＮＳ:次级匝数③ＭＯＳ功率管的源—栅极之间的最大耐压值ＶＤ的余量值Ｖ(ＤＳ)ＶＤＳ=１０%*ＶＤ单位：Ｖ④ＲＣＤ吸收回路的电压Ｖ(ＲＣＤ)Ｖ(ＲＣＤ)＝[ＶＤ-Ｖ(ＤＣ)-Ｖ(ＤＳ)]*９０%单位：Ｖ三：ＲＣＤ试验调整①上述ＲＣＤ电压值是理论值，通过试验调整，使得实际值和理论值相吻合②Ｖ(ＲＣＤ)＞１．３Ｖ(ＯＲ)若实际测量值小于１．３倍的话，说明选取的ＭＯＳ功率管的ＶＤ值太小．③ＭＯＳ功率管的ＶＤ＜２Ｖ(ＤＣ)若实际测量值大于２倍的话，说明选取的ＭＯＳ功率管的ＶＤ值太大．④Ｖ(ＲＣＤ) ＜１．２Ｖ(ＯＲ)说明ＲＣＤ吸收回路会影响开关电源的效率．⑤Ｖ(ＲＣＤ)是有Ｖ(ＲＣＤ１)和Ｖ(ＯＲ)组成的．⑥ＲＣ时间常数τ是有开关电源的频率确定，一般选择１０—20个周期。

⑦选择RC:任意选取瓷片电容和电阻，一般为电阻几十K电阻——几百K的电阻，电容选择几nF——几十nF不等。

任意选择R、C的值，通入交流电压，调节调压器，根据先低压后高压、先轻载后重载的原则，试验过程中观察V(RCD)的值，务必V（RCD）的值小于理论值，调节调压器时，当等于理论值时，停止试验，把R 值变小，重新调整。

合适的RC标准：当高压、重负载时，V(RCD)实际测量值等于理论值。

⑧R的功率应根据V(RCD)的最大值所得，一般计算值的2倍。

反激式变换器中RCD箝位电路的设计分析反激式变换器是一种常见的DC-DC变换器拓扑结构，具有简单、高效的特点。

在反激式变换器的设计中，RCD箝位电路扮演着非常重要的角色。

本文将从设计和分析的角度探讨RCD箝位电路在反激式变换器中的作用、设计原则以及优化方法。

首先，让我们来了解一下RCD箝位电路在反激式变换器中的作用。

反激式变换器的基本原理是利用输入电感储存能量，并通过控制开关管的开关周期实现能量的传递。

箝位电路的作用是限制开关管的电压峰值，以确保开关管能够正常工作，同时减小电压应力和电流应力，提高系统的可靠性和效率。

在设计RCD箝位电路时，首先要确定电容C、电感L和电阻R的合适取值。

理想的RCD箝位电路应该具有良好的限压、保护开关管的功能，同时要保证电路的稳定性和效率。

设计原则之一是要选择合适的电感L。

选择合适的电感值可以在箝位电路中产生合适的电感电流，以保证开关管正常工作。

一般来说，电感的电流应该在稳态工作状态下不超过其可承受的最大电流。

另外，电感值的选择还应考虑反激式变换器的输入电压、输出电压和负载条件，以及电感的尺寸和成本。

设计原则之二是要选择合适的电容C。

电容C的选择要考虑三个方面：限制开关管的电压峰值、储存能量和抑制电压尖峰。

合适的电容值可以限制开关管的电压峰值，以保护开关管不受电压应力过大的影响。

另外，电容的容量也会影响电路的能量储存和输出效率。

较大的电容值可以增加能量储存，但也会增加电路的成本和尺寸。

此外，电容的选择还需要考虑电容的ESR（壳体电阻）和ESL（壳体电感），以提高电路的性能和稳定性。

设计原则之三是要选择合适的电阻R。

电阻R的作用是限制开关管的电流，以保护开关管不受电流应力过大的影响。

合适的电阻值要根据开关管的最大电流和电路的工作条件来确定。

较小的电阻值可以减小电流应力，但也会降低电路的效率和稳定性。

因此，需要在保护开关管的同时兼顾效率和稳定性。

在实际的设计中，可以通过仿真和实验来验证和优化RCD箝位电路的设计。

4 RCD钳位电路4.1基本原理分析由于变压器漏感的存在，反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压，使得开关管承受较高的电压应力，甚至可能导致开关管损坏。

因此，为确保反激变换器安全可靠工作，必须引入钳位电路吸收漏感能量。

钳位电路可分为有源和无源钳位电路两类，其中无源钳位电路因不需控制和驱动电路而被广泛应用。

在无源钳位电路中，RCD 钳位电路因结构简单、体积小、成本低而倍受青睐。

RCD钳位电路在吸收漏感能量的时候，同时也会吸收变压器中的一部分储能，所以RCD钳位电路参数的选择，以及能耗到底为多少，想要确定这些情况会变得比较复杂。

对其做详细的分析是非常必要的，因为它关系到开关管上的尖峰电压，从而影响到开关管的选择，进而会影响到EMI，并且，RCD电路设计不当，会对效率造成影响，而过多的能量损耗又会带来温升问题，所以说RCD钳位电路可以说是很重要的部分。

图9图10图11反激变换器RCD 钳位电路的能量转移过程可分成5 阶段，详细分析如下：1）t0-t1阶段。

开关管T1导通，二极管D1、D2因反偏而截止，钳位电容C1通过电阻R1释放能量，电容两端电压UC下降；同时，输入电压Ui加在变压器原边电感LP两端，原边电感电流ip线性上升，其储能随着增加，直到t1时刻，开关管T1关断，ip增加到最大值。

此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(a)所示。

2）t1-t2阶段。

从t1时刻开始，开关管进入关断过程，流过开关管的电流id 开始减小并快速下降到零；同时，此阶段二极管D2仍未导通，而流过变压器原边的电流IP首先给漏源寄生电容Cds恒流充电(因LP很大)，UDS快速上升(寄生电容Cds较小)，变压器原边电感储存能量的很小一部份转移到Cds；直到t2时刻，UDS 上升到Ui+Uf(Uf为变压器副边向原边的反馈电压)。

此阶段变换器一次侧的能量转移等效电路如图2(b)所示，钳位电容C1继续通过电阻R1释放能量。

反激电路和RCD电路是电子工程中常见的电路类型，它们的设计和实现需要考虑许多因素，包括电源电压、负载电流、电路效率、电磁干扰等。

下面将详细介绍反激电路和RCD 电路的设计过程。

一、反激电路设计反激电路是一种常见的电源转换电路，它可以将输入的交流电压转换为直流电压，同时提供电流和电压的调节功能。

在设计反激电路时，需要考虑以下因素：输入电压和电流：输入电压和电流的大小直接影响到反激电路的效率和性能。

因此，在设计反激电路时，需要根据实际需求选择合适的输入电压和电流。

输出电压和电流：输出电压和电流的大小需要根据实际应用来确定。

一般来说，输出电压越高，输出电流越小，反之亦然。

因此，在设计反激电路时，需要根据实际需求选择合适的输出电压和电流。

开关频率：开关频率是反激电路中开关管的工作频率，它直接影响到反激电路的体积、重量和效率。

一般来说，开关频率越高，反激电路的体积越小、重量越轻、效率越高。

但是，开关频率过高也会导致电磁干扰和噪声问题。

因此，在设计反激电路时，需要根据实际需求选择合适的开关频率。

磁芯材料：磁芯材料是反激电路中的重要元件，它直接影响到反激电路的效率和性能。

一般来说，磁芯材料的磁导率越高、饱和磁感应强度越大，反激电路的效率越高、性能越好。

但是，磁芯材料的价格也越高。

因此，在设计反激电路时，需要根据实际需求选择合适的磁芯材料。

二、RCD电路设计RCD电路是一种常见的过电压保护电路，它可以在电源电压过高或过低时切断电源，保护电路免受损坏。

在设计RCD电路时，需要考虑以下因素：输入电压范围：输入电压范围是RCD电路的重要参数之一，它直接影响到RCD电路的工作范围和性能。

因此，在设计RCD电路时，需要根据实际需求选择合适的输入电压范围。

输出电压范围：输出电压范围是RCD电路的重要参数之一，它直接影响到RCD电路的保护效果和性能。

因此，在设计RCD电路时，需要根据实际需求选择合适的输出电压范围。

电阻值和电容值：电阻值和电容值是RCD电路中的重要元件参数之一，它们直接影响到RCD电路的保护效果和性能。

反激式变换器中RCD箝位电路设计方案工科反激式变换器是一种常用于电源系统中的降压变换器，它具有结构简单、成本低、效率高等优点，在电源系统中得到了广泛应用。

而RCD箝位电路则是反激式变换器中常用的一种保护电路，能有效地保护开关管和二极管，增加系统的可靠性。

本文将针对反激式变换器中RCD箝位电路的设计方案进行探讨，以期能在实际应用中提供一定的参考价值。

设计目标：设计一个能够满足工业应用需求的反激式变换器RCD箝位电路，其设计目标如下：1.保护开关管和二极管，避免过电压和过电流的损害；2.提高系统的效率；3.控制开关管的开关频率，并实现电压的稳定输出；4.降低系统的谐振噪声。

设计步骤：1.选择合适的开关管和二极管：根据输入电压和输出电流的要求，选择合适的开关管和二极管。

开关管应具有低导通电阻和低开关损耗，二极管应具有低反向恢复电压和低开关损耗。

2.确定电感和电容数值：根据输入电压、输出电压和输出电流的要求，确定合适的电感和电容数值。

电感应具有合适的饱和电流和低直流电阻，电容应具有合适的容值和低ESR。

3.设计RCD箝位电路：RCD箝位电路由一个电阻、一个电容和一个二极管组成。

其作用是在开关管关闭后提供一条反向电流通路，以保护开关管和二极管，并降低谐振噪声。

电容的选择应满足箝位电压的要求，电阻的选择应确保电容在关断期间能够完全放电。

4.控制开关管的开关频率：反激式变换器中的开关管的开关频率对整个系统的稳定性和效率有着很大的影响。

通过合理的控制开关管的开关频率，可以实现电压的稳定输出。

常见的控制方法有固定频率控制、变频控制和自适应控制等。

5.进行电路仿真和实验：根据设计的参数，进行电路的仿真和实验，验证设计的可行性和稳定性。

通过仿真和实验结果的分析，对设计进行进一步的改进和优化。

总结：通过以上设计步骤，可以设计出一个满足工业应用要求的反激式变换器RCD箝位电路。

在实际应用中，还需要根据具体的应用场景和要求来优化设计参数，以进一步提高系统的性能和可靠性。

电工电气 (2011 No.1)作者简介：刘国伟(1986- )，男，硕士研究生，研究方向为电力电子高频磁技术。

反激变换器中RCD箝位电路的研究摘 要：反激变换器原边漏感对半导体器件的影响较大，通过RCD 箝位电路可以降低半导体器件的关断电压尖峰。

分析了RCD 箝位电路在反激变换器中的工作原理，并介绍了RCD 各个参数的设计方法以及RCD 箝位电路的损耗分析，实验验证了RCD 各参数对反激变换器的影响。

关键词：反激变换器；RCD 箝位电路；电压尖峰中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2011)01-0020-04刘国伟，董纪清(福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)Abstract: As the primary inductance leakage has greater impact on semiconductor apparatus in the fl yback converter, the RCD clamp circuit can reduce breaking voltage peak of semiconductor apparatus. Analysis was made to the working principle of RCD clamp circuit in the fl yback converter. Introduction was made to the design method of RCD each data and loss analysis of RCD clamp circuit. Experi-ment has veri fi ed the impact of RCD each data on the fl yback converter. Key words: fl yback converter; RCD clamp circuit; voltage peakLIU Guo-wei, DONG Ji-qing（College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China ）Study of RCD Clamp Circuit in Flyback Converter0 引言反激变换器具有高可靠性、电路拓扑简单、成本低、易于实现多路输出等优点，因此广泛应用于中小功率场合，如电源适配器、逆变器的辅助电源、模块电源等。