漏极钳位保护电路的设计 admin    18/09/08



    对反激式开关电源而言,每当功率MOSFET由导通变成截止时,在开关电源的一 次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压。其中的尖峰电压是由于高频变压器存在漏感 (即漏磁产生的自感)而形成的,它与直流高压UI和感应电压UOR叠加在MOSFET的 漏极上,很容易损坏MOSFET。为此,必须在增加漏极钳位保护电路,对尖峰电压进 行钳位或者吸收。

一.漏极上各电压参数的电位分布

    下面详细介绍输入直流电压的最大值UImax、一次绕组的感应电压UOR、钳位电压 UB与UBM、最大漏极电压UDmax、漏—源击穿电压U(BR)DS这6个电压参数的电位分布情 况,使读者能有一个定量的概念。

    对于TOPSwitch—××系列单片开关电源,其功率开关管的漏—源击穿电压U(BR)DS> 700V,现取下限值700V。感应电压UOR=135V(典型值)。本来钳位二极管的钳位电 压UB只需取135V,即可将叠加在UOR上由漏感造成的尖峰电压吸收掉,实际却不然。 手册中给出UB参数值仅表示工作在常温、小电流情况下的数值。实际上钳位二极管 (即瞬态电压抑制器TVS)还具有正向温度系数,它在高温、大电流条件下的钳位电压 UBM要远高于UB。实验表明,二者存在下述关系

UBM≈1.4UB (3-6-1)

    这表明UBM大约比UB高40%。为防止钳位二极管对一次侧感应电压UOR也起到钳位作 用,所选用的TVS钳位电压应按下式计算

B = 1.5UOR    (3-6-2)

此外,还须考虑与钳位二极管相串联的阻塞二极管VD1的影响。VD1一般采用快恢复 或超快恢复二极管,其特征是反向恢复时间(trr)很短。但是VD1在从反向截止到正 向导通过程中还存在着正向恢复时间(tfr),还需留出20V的电压余量。

    考虑上述因素之后,计算TOPSwitch—XX最大漏—源极电压的经验公式应为

UDmax = UImax + 1.4 x 1.5 UOR + 20V   (3-6-3)

    TOPSwitch—XX系列单片开关电源在230V交流固定输入时,MOSFET的漏极上 各电压参数的电位分布如图3-6-1所示,占空比D≈26%。此时u=230V土35V,即 umax=265V,UImax=√2umax=375V,UOR=135V,UB = 1.5UOR = 200V,UBM = 1.4UB = 280V,UDmax=675V,最后再留出25V的电压余量,因此U(BR)DS = 700V。实际上U(BR)DS 也具有正向温度系数,当环境温度升高时U(BR)DS也会升高,上述设计就为芯片耐压值提 供了额外的裕量。

图3-6-1  MOSFET漏极上各电压参数的电位分布图

二.漏极钳位保护电路的基本类型

    漏极钳怔保护电路主要有以下5种设计方案(电路参见图3-6-2)

图3-6-2  5种漏极钳位保护电路

    (1)利用瞬态电压抑制器TVS(P6KE200)和阻塞二极管(超快恢复二极管 UF4005)组成的TVS、VD型钳位电路,如图3-6-2(a)所示。图中的Np、Ns和 NB分别代表一次绕组、二次绕组和偏置绕组。但也有的开关电源用反馈绕组NF来代 替偏置绕组NB

    (2)利用阻容吸收元件和阻塞二极管组成的R、C、VD型钳位电路,如图3-6-2(b)所示。

    (3)由阻容吸收元件、TVS和阻塞二极管构成的R、C、TVS、VD型钳位电路, 如图3-6-2(c)所示。

    (4)由稳压管(VDZ)、阻容吸收元件和阻塞二极管(快恢复二极管FRD)构成的 VD(VDZ)、R、C、VD型钳位电路,如图3-6-2(d)所示。

    (5)由TVS、阻容吸收元件、阻尼电阻和阻塞二极管(快恢复二极管FRD)构成 的TVS、R、C、VD型钳位电路,如图3-6-2(e)所示。

    上述方案中以(5)的保护效果最佳,它能充分发挥TVS响应速度极快、可承受瞬 态高能量脉冲之优点,并且还增加了RC吸收回路。鉴于压敏电阻器(VSR)的标称击 穿电压值(U1mA)离散性较大,响应速度也比TVS慢很多,在开关电源中一般不用它 构成漏极钳位保护电路。

    需要说明两点:①阻塞二极管一般可采用快恢复或超快恢复二极管。但有时也专门 选择反向恢复时间较长的玻璃钝化整流管VD(1N4005GP),其目的是使漏感能量能够 得到恢复,以提高电源效率。玻璃钝化整流管的反向恢复时间介于快恢复二极管与普通 硅整流管之间,但不得用普通硅整流管1N4005来代替1N4005GP。②连续输出功率小 于1.5W的开关电源,一般不要求使用钳位电路。

    常用钳位二极管和阻塞二极管的选择见表3-6-1。

择见表3-6-1  钳位二极管和阻塞二极管的选择

u(V,AC) 钳位电压UB(V) 钳位二极管 阻塞二极管
固定输入:11090P6KE91(91V/5W)BYV26B(400V/1A)
通用输入:85~265200P6KE200(200V/5W)UF4005(600V/lA) BYV26C(600V/lA)
固定输入:230(1士15%)200

三.漏极钳位保护电路的设计方法及实例

    选择TOPSwitch—HX系列TOP258P芯片,开关频率f = 132kH2,u = 85—265V, 两路输出分别为UO1(+12V、2A)、UO2(+5V、2.2A)。PO = 35W,漏极峰值电流 IP = ILIMIT = 1.65A。实测高频变压器的一次侧漏感L0 = 20PH。采用P6KE200型瞬态电 压抑制器,取UQ(max) = UB = 200V。拟采用如图3-6-2(e)所示的漏极钳位保护电路。 计算步骤如下:

    最大允许漏极电压:UD(max) = √2Umax + UQ(max) < 700V-50V = 650V。

    钳位电路的纹波电压:URI = 0.1UQ(max) = 0.1UB = 0.1×200V = 20V。

    钳位电压的最小值:UQ(min) = UQ(max) - URI = UB - 0.1UB = 90%UB = 180V。

    钳位电路的平均电压:UQ(AVG) = UQ(max) - 0.5URI = UB - 0.5x0.1UB = 95%UB = 190V。

    一次侧漏感上存储的能量:EL0 = IP2L0/2 = 1.65(A)2 x 20uH = 27.2uJ

    计算钳位电路吸收的能量:当PO = 35W < 50W时,EQ = 0.8EL0 = 0.8x27.2uJ = 21.8uJ 若PO ≥ 50W时,EQ = EL0

    钳位电阻R1的阻值为

R1 = UQ(AVG)2/EQ/f = 1902/21.8/132 = 12.5KΩ

    钳位电容C的容量为

C = 2EQ/(UQ(max)2 - UQ(min)2) = 2 x 21.8/(2002 - 1802) = 5.7(nF)

    令由R1、C确定的时间常数为t

t = R1C = 2UQ(AVG)2/(UQ(max)2 - UQ(min)2)/f    (3-6-4)

    将UQ(max) = UB、UQ(min)=90%UB、UQ(AVG)=0.95UB和f=132kHz 一并代入式(3-6-4),化简后得到t=R1C=9.47/f=9.47T(ys)。当f=132kHz时,开关周期T=7.5uS, t=9.47×7.5us=71.0uS。这表明R1、C的时间常数与开关周期有关,在数值 上它就等于开关周期的9.47倍。若考虑到阻容元件还存在一定误差,在估算时间常数 时也可取t=10T。实取钳位电阻R1=15ko,钳位电容C=4.7nF。此时t=70.5uS。

    R1上的功耗为

PR1 = UQ(AVG)2/R1 = 190V2/15KΩ = 2.4(W)

    考虑到钳位保护电路仅在功率开关管关断所对应的半个周期内工作,R1的实际功耗大 约为1.2W(假定占空比为50%),因此可选用额定功率为2W的电阻。由于一次侧直流高压 为UC > 1.5UQ(max)+UI(max) = 1.5×200V十265V×√2 = 674V,故实际耐压值取1kV。

    阻塞二极管VD的最高反向耐压UBR>1.5UQ(max)=300V,采用快恢复二极管FRl06 (1A/800V,正向峰值电流可达30A)。要求其正向峰值电流远大于IP(这里为30A >> 1.65A)。

    说明:VD采用快恢复二极管而不使用超快恢复二极管,目的是配合阻尼电阻R2 将部分漏感能量传输到二次侧,以提高电源效率。

    阻尼电阻应满足以下条件

20V/0.18IP ≤ R2 ≤ 100Ω   (3-6-5)

    最后根据式(3-6-5)计算阻尼电阻及2的阻值为

20V/(0.8x1.65A)=15Ω ≤ R2 ≤ 100Ω

    实取20Ω/2W的标称电阻。



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