反激RCD状态下波形分析

1.反激RCD状态波形分析

在实际设计过程中,变压器是存在漏感的,这个是无法避免的。当MOSFET导通时刻,漏感会导致漏极和源极之间的电压产生一个很大的尖峰,如果这个电压尖峰的产生会让DS两端电压超过MOSFET的耐压,会让MOSFET损坏,从而让电源不能正常工作。因此我们选择采用RCD钳位电路吸收变压器漏感产生的能量。因此分析实际的有RCD钳位存在的反激模态图是必要的。
以下为RCD钳位下的反激模态图:

图1.1绘制波形自上而下依次为:
(a) 原边MOSFET的驱动电压波形;
(b) 钳位电容C1波形;
(c) 变压器一次侧等效电容电压波形;
(d) 带寄生参数的原边MOSFET的漏极和源极两端电压波形;
(e) 原边电流波形;
(f) 副边电流波形;
(g) 输出电流示意图。

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(1) 一阶段(t0-t1):MOSFET未开通时,变压器等效电容Cs没有储能,MOSFET上电容C储能也为0。当t0时刻,MOSFET导通,寄生电容通过开关管充电,此电容两端电容开始上升。而因为激磁电感Lm存在寄生电容,所以导致变压器初级电流产生一个较大的尖峰电流。当t1时刻,Cs两端电压等于输入电压大小时,MOSFET完全导通,变压器一次侧电流开始上升。
(2) 二阶段(t1-t2):MOSFET在t1时刻完全导通,二极管D1、D2因为反偏而处于截止状态,钳位电容C1通过电阻R放电,电容两端电压下降。输入电压Vin加在激磁电感两边,变压器一次侧电流呈线性上升,储能随着增加,到t2时刻,MOSFET关断,变压器一次侧电流Ip上升到最大值。
(3) 三阶段1(t2~t2-1):从t2时刻开始,MOSFET关断,流过开关管的电流id迅速减小并快速下降到0。同时,此时二极管D2依旧没有导通。此时,流过变压器一次侧的电流Ip先给MOSFET的漏极和源极两引脚间的寄生电容Coss充电,因为Coss很小,MOSFET两端电压快速上升,激磁电感储存的很少的一部分能量转移到Coss。到t2-1时刻,MOSFET两端电压上升到Vin+Vf,即输入电压与反射电压之和。而钳位电容继续通过电阻R释放能量。
(4) 三阶段2(t2-1~t2-2):t2-1时刻,MOSFET两端电压上升到Vin+Vf后,变压器二次侧二极管D2开始导通,变压器一次侧的能量耦合到二次侧,并开始向负载传递能量。变压器二次侧反馈电压:

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(VO为输出电压,VD为二极管D2导通压降)。由于变压器存在漏感,那么可以将变压器一次侧等效为反射电压和变压器漏感串联,继续向Coss充电。到t2-2时刻,MOSFET两端电压上升到Vin+VCV时刻,此时,钳位电容仍然通过电阻R放电。此阶段持续时间很短,可以认为变压器一次侧峰值电流对Ip对Coss充电。
(5) 三阶段3(t2-2~t2-3):t2-2时刻,MOSFET两端电压上升到Vin+VCV,二极管D1开始导通。此时,等效的反射电压源和变压器漏感串联继续向钳位电容C开始充电,钳位电容C电压开始上升,由于钳位电容C的容量比Coss容量大,因此此时MOSFET漏极和源极两端电压继续缓慢上升。此时变压器一次侧电流开始下降,直到t2-3时刻,电流下降到0,二极管D1断开,MOSFET漏极和源极两端的电压上升到最大值Vin+VCP。
(6) 四阶段(t2-3~t4):t2-3时刻,二极管D1关断,由于MOSFET漏极和源极的寄生电容Coss的电压为Vin+VCP>Vin,因此会有反向电压加在变压器两端,所以,Coss和变压器的激磁电感的漏感Llk开始谐振,谐振频率为:

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谐振期间,MOSFET的漏极和源极两端的电压开始下降,Coss中的一部分能量将转移到变压器二次侧,另一部分能量将返回到输入电源,直到t3时刻谐振结束,漏极和源极的电压稳定在Vin+Vf,一直稳定到t4时刻,此时,变压器二次侧电流下降到0。此阶段二极管D1关断,钳位电容继续向电阻R释放能量,其电压继续下降。
(7) 五阶段(t4~t5):在t4时刻,二极管D2电流减小到0,D2关断,对原边的电压箝位消失。此时MOSFET的寄生电容和绕组分布电容放能,与原边的激磁电感、漏感均产生谐振,出现上图所示电压电流波动、谐振频率为:

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因为f1>f2,所以该阶段波形看着比较大。
总体来讲,RCD参数的设计确定是需要严格计算的。

2. RCD钳位参数的确定

在RCD钳位状态下,原边的MOSFET漏极和源极的波形如下图所示:

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图2.1 RCD状态下的VDS波形
在设计时,我们应该重点考虑抑制电压尖峰,因此钳位电阻R和钳位电容C取最大输入电压。
如图2.1所示,可以看到钳位电压Vclamp由尖峰电压Vspike和反射电压VOR组成,VMR的值为主MOSFET的漏源极耐压的10%,因此可以得出下面这个公式:

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钳位电阻R消耗功率为:

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然而电阻实际消耗的能量为:

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由此可以计算出钳位电阻R的值为:

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电阻上面消耗的能量都来自于钳位电容,钳位电容C的计算公式为:

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