抑制开关电源变压器漏感产生尖峰电压的电路
王俊永
（深圳创维集团研究院，深圳518108）
摘要：开关电源变压器的绕组上会产生尖峰电压,该尖峰电压是由高频变压器漏感形成的。在反激式变换器中通常采用RCD吸收电路来减小尖峰电压，但效果不是很好。本文介绍了一种使用模拟开关的进行电压箝位的方法，可以很好消除尖峰电压
关键词：反激式变换器 漏感谐振电路 箝位
Inhibit switching power supply transformers leakage of the peak voltage circuit
Junyong wang
(Skyworth Group R&D Academy,Shenzhen 518108 )
E-mail：wangjunyong@skyworth.com
ABSTRACT： coil of transformer produce a aiguille voltage in switching mode power supply ，leakage inductance of transformer produce a aiguille voltage by high frequency transformer.general in the flyback converter use rcd circuit absorb aiguille voltage,but effect isn’t obvious.this paper introduce a measure of voltage clamp, can eliminate aiguille voltage.
KEYWORDS： flyback converter leakage inductance resonant circuit clamp
1、技术背景
众所周知，开关电源广泛应用于工业控制设施﹑通信办公设备及家庭电子消费设备等各个领域，如计算机电源，电视机等家用电器电源。DC/DC变换器的典型主回路拓扑结构包括变压器，电容器及功率MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)等元器件。其中功率MOSFET通常运用为开关管,在功率MOSFET由导通变成截止时，变压器的绕组上就会产生尖峰电压,该尖峰电压是由高频变压器漏感（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叠加后很容易损坏功率MOSFET。为此，必须增加箝位或吸收保护电路，对尖峰电压进行箝位或吸收。现有的常规DC/DC电源变换器为解决这一技术问题提供了一些技术通路，例如：RCD吸收网络，当开关管关断时，变压器漏感能量转移到电容C上来，然后由电阻R将这部分能量消耗，对由变压器漏感产生的尖峰电压起箝位作用，但箝位电路本身要消耗磁场能量；另一种为瞬态电压抑制(Transient Voltage Suppressor，TVS)技术,以一种二极管形式的保护, 抑制尖峰电压，保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的损坏。这些MOS场效应管的箝位或吸收网络本身需要损耗一定的电路功率, 不利于提高变换器的效率,且对尖峰电压的抑制效果在与增加的电路设计复杂度及成本的权衡上,并没有起到优化的效果。
以反激式变换器为例，如图1所示反激式变换器中隔离变压器兼起储能电感作用，变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防止磁芯饱和，需要较大气隙，因此漏感比较大，电感值相对较低。当功率开关关断时，由漏感储能引起的电流突变引起很高的关断电压尖峰，功率管导通时，电感电流变化率很大，电流峰值大，CCM 模式整流二极管反向恢复引起功率开关开通时高的电流尖峰。因此，必须用箝位电路来限制反激式变换器功率开关电压、电流应力。通常使用RCD吸收电路加在变压器原边两端或开关两端，电路拓扑如图1所示，称为RCD箝位。这类电路特点为电路拓扑简洁，开关管关断时，变压器漏感能量转移到电容C上，开关管漏源电压被箝位漏感能量消耗在电阻R上，变换效率较低。
本文提供了一种带尖峰电压抑制的电路，可以抑制常规开关电源变换器中所产生的尖峰电压，且具有功耗小、抑制效果好等特点。为解决上述技术问题，本方案采用如下技术方案：包括变压器、电容器、开关管、及模拟开关电路。变压器与电容器串联构成谐振电路，并与该开关管串联，并接入输入电压，该开关管为MOS场效应管。该模拟开关电路与该电容器及该变压器联接成的谐振回路并联。当该开关管关闭时，该模拟开关电路关闭，使该电容器与该变压器联接成的谐振回路电压趋于零，抑制尖峰电压的形成。采用这种抑制开关电源变压器漏感产生尖峰电压的电路，可改用较低漏源电压的功率MOS场效应管作为开关管，减少了对MOS管的冲击，延长开关管的使用寿命；同时开关电源变换器的功率损耗较耗小，提高了开关电源变换器的效率。
2、具体电路介绍
图2是本方案带尖峰电压抑制的开关电源拓扑结构示意图。
下面结合图2对本方案作进一步的描述。本方案带尖峰电压抑制的开关电源拓扑结构包括变压器T1，电容器C1，开关管Q1及一模拟开关电路K1。其中该变压器T1包括初级绕组L1及一次级绕组(未标号)。该变压器T1与该电容器C1串联构成谐振电路。该电容器C1的正极接入电源输入正端1, 该电容器C1的负极与该变压器T1的初级绕组L1的一端相联接。该初级绕组L1的另一端通过该开关管Q1与电源输入负端3相联。其中该开关管Q1为一功率MOS场效应管。该初级绕组L1是与该功率MOS场效应管Q1的漏极D相联，该功率MOS场效应管Q1的源极S与电源输入负端3相联，该功率MOS场效应管Q1的栅极G浮置。该模拟开关电路K1与该电容器C1及该变压器T1并联，亦即该模拟开关电路K1的一端与该电容器C1的正极以及电源输入正端1相联，该模拟开关电路K1的另一端与该变压器T1的初级绕组L1的一端以及该功率MOS场效应管Q1的漏极D相联。该变压器T1的次级绕组两端分别与电源输出端2，4相联。
当打开开关电源时，开关电源变换器中作为开关的开关管Q1导通，同时该模拟开关电路K1打开，该开关电源变换器正常工作。在电源输入端1，3间接输入电压Vin，在电源输出端2，4间输出电压Vout。当关闭开关电源时，开关电源变换器中作为开关的开关管Q1关断。即该功率MOS场效应管Q1由导通变为截止，该变压器T1的初级绕组L1的漏感会形成尖峰电压，此时，该模拟开关电路K1关闭，该模拟开关电路K1两端电势趋于相等，则该电容器C1的正极与该变压器T1的初级绕组L1的另一端成为近似等电势点，该电容器C1与该变压器T1的初级绕组L1上的电压和趋于零，该变压器T1的初级绕组L1的漏感无法产生尖峰电压，从而达到较为理想的尖峰电压抑制效果。
若开关电源拓扑结构中无尖峰电压抑制结构，则开关管Q1需要承受的电压值为Vin值加上关断时所产生的尖峰电压值，当尖峰电压较大时有可能将开关管Q1击穿。而采用带尖峰电压抑制的开关电源拓扑结构，则可使用较低漏源电压的功率MOS场效应管作为开关管，且可延长开关管的使用寿命。
在一种实施方式中，该模拟开关电路K1包括MOS管驱动电路，该MOS管驱动电路与该开关管Q1交替导通，即当该开关管Q1关断时，该模拟开关电路K1中的MOS管驱动电路导通，相当时该模拟开关电路K1短接关闭。在另一种实施方式中，该模拟开关电路K1包括三极管驱动电路，该三极管驱动电路与该开关管Q1交替导通，即当该开关管Q1关断时，该模拟开关电路K1中的三极管驱动电路导通，相当时该模拟开关电路K1短接关闭。从而达成该模拟开关电路K1与该开关管Q1的同步，阻止尖峰电压的形成。
3、小结
综上所述，该电路对开关电源变压器漏感产生的电压尖峰有良好的抑制作用，并通过实验验证，从示波器上看不到开关管开关时产生的电压尖峰， 开关管可使用较低漏源电压的功率MOS场效应管，且可延长开关管的使用寿命，所以该电路有一定的推广价值。
参考文献
[1] 周邦熊.实用电源手册.吉林电子出版社
[2] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术.电子工业出版社
[3] 何希才.新型开关电源设计与应用.科学出版社
