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[讨论] 再谈谈RCD的计算

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maychang

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发表于 2019-9-11 17:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

  2019-8-31我曾发一篇帖子《也谈谈RCD的计算》。今天我想再谈谈反激变换器中RCD计算为什么不包括励磁电流所储存能量的释放。
  我们从反激变换器基本电路开始说起。

Buck_Boost主电路1.png             图(01)
  图(01)是反激变换器主电路,其中控制部分没有画出,功率开关三极管(或者MOS管)集电极上的RCD吸收电路也没有画出。图(01)中各个表示电流方向的箭头,是开关管关断后的电流方向。

Buck_Boost主电路2.png             图(02)
  Aaa我们先把变压器次级关联电路上下颠倒一下,画成图(02)。这样作的目的,是使变压器两个绕组同名端处于同一方向。当然,二极管D、电容C2、负载RL也要上下颠倒。
  我们再假定变压器两个绕组匝数相同,那么两个绕组两端电压相同。我们把变压器两个绕组——初级和次级,合并成一个,如图(03)。各表示电流方向的箭头仍然如同图(01),是功率开关管关断后的电流方向。
  即使变压器两个绕组匝数不同,也没有关系,我们总可以将次级匝数乘以变压器初级次级匝数之比,将次级匝数换算到初级。

Buck_Boost主电路3.png             图(03)
  仔细看看图(03),这就是一个Buck-Boost电路(往往称为反转电路)!只不过各元件方向和我们熟悉的Buck-Boost电路不太一样就是了。
  如果还没有看出来,那不妨对照图(04)再看看。图(04)正是一个典型的Buck-Boost电路,图(04)中各元器件标注与图(03)相同,电流方向的标注也相同。图(04)和图(03)的区别,仅仅是输入电源的正端接地,而图(03)是负端接地。接地点选在直流电源的整端还是负端,对电路的工作并无影响。
  所以,反激电路是由Buck-Boost电路把储能电感L换成变压器发展而来,这一点完全正确。

Buck_Boost主电路4.png             图(04)
  可是,Buck-Boost电路从来没有使用过RCD电路来释放功率管关断时电感L中储存的能量——根本没有必要。德州仪器公司以及其它公司生产了那么多Buck-Boost电路(或称为反转电路)芯片,在这些芯片datasheet的典型应用电路中,从来没有提到过需要RCD电路来释放功率管关断时电感中储存的能量。
  为什么Buck-Boost电路不需要RCD电路,而反激电路就需要RCD电路?
  反激电路需要RCD来释放能量,仅仅是因为反激电路把Buck-Boost电路中的储能电感换成了变压器以实现隔离。
  Buck-Boost电路只有一个电感,一个电感当然没有什么漏感。反激电路将电感换成了具有原边和副边绕组的变压器,原边电流产生的磁通不可能完全穿过副边,总有一些磁通没有穿过副边,这就产生了原边对副边的漏感。正是这些漏感所储存的能量,导致功率管关断时功率管集电极或者漏极电压的尖峰。这些尖峰必须用RCD吸收电路释放掉,以免电压过高而击穿功率开关管。RCD电路释放掉的,正是变压器漏感储存的能量。
  
  那么,为什么RCD电路不必释放掉功率开关管导通期间变压器原边励磁电流所储存的能量?
  我们知道,正激变换器也需要能量释放电路,以释放掉正激变换器功率开关管导通期间由励磁电流储存在变压器中的能量。但是,反激变换器与正激变换器不同。正激变换器功率开关管关断后,励磁电流所储存在变压器铁芯中的能量不会通过副边整流电路释放——副边电流方向就不允许励磁电流储存的能量通过副边释放,但反激变换器功率开关管关断后,励磁电流储存在变压器铁芯中的能量却可以通过副边整流电路释放——反激变换器功率开关管关断后副边整流电路才开始工作。实际上,反激变换器功率开关管导通期间变压器原边电流完全是励磁电流。



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来源:EEWorld 电源技术板块,转载请附上链接


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五彩晶圆(中级)

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发表于 2019-9-11 19:52 | 显示全部楼层

无标题.png 细虚线框的部份是反激变压器的最简模型,LR为漏感,LM为励磁电感,右边为理想变压器。

如果有办法将漏感部份产生的电动势提取出来,用虚线1加到RCD上,没错,确实可以实现RCD只消耗LR的能量。

然而现实中,虚线1不能实现,只能连接虚线2,RCD中的C的充电电压,是漏感电动势与励磁电感电动势的叠加,而励磁电感是与理想变压器的初级并联的。

点评

把2楼图重新画在这里: [attachimg]432824[/attachimg]既然M是理想变压器,变压器电感无穷大,无漏磁,那么我们可以把理想变压器去掉,画成下图,其中D1、C1、R1是RCD吸收电路,D2、C2、R2是输出电路,C2就是输出  详情 回复 发表于 2019-9-12 15:50
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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-9-12 00:23 | 显示全部楼层

尝试表达一下观点:RCD吸收能量包含励磁电感能量

直观分析:

如下图1,由主题贴图3的基础上加上RCD电路之后,显然RCD部分和原图由次级等效过来的RCD电路结构完全一致,

既然励磁电感能量可以传递到次级等效到初级的RCD电路中,那么同样也可以传递到RCD吸收电路中,

这也是RCD吸收电路Vc电压一定要大于次级输出电压等效到初级电压Vor的根本原因。

Buck_Boost主电路3.png 定量分析:

如下图2所示,将上图右边图中的原边励磁电感和漏感分离,

分析过程见图片,从计算结果来看,如果计算过程正确的话,RCD吸收的能量除了漏感能量之外,

还多出来一部分,这部分能量来自励磁电感,分子中的Vor恰为励磁电感两端的电压,

多出来的部分,也说明大的Vc电压对效率提升有帮助

Lr.png

点评

你是对的。  详情 回复 发表于 2019-9-13 16:19


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五彩晶圆(中级)

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发表于 2019-9-12 08:07 来自手机 | 显示全部楼层
有源钳位很好地解决了效率,应力和占空比的矛盾,最大占空比轻松上0.7


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maychang

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 楼主| 发表于 2019-9-12 15:50 | 显示全部楼层
PowerAnts 发表于 2019-9-11 19:52 细虚线框的部份是反激变压器的最简模型,LR为漏感,LM为励磁电感,右边为理想变压器。 如果有办法将漏感 ...

把2楼图重新画在这里:

Buck_Boost主电路5.png 既然M是理想变压器,变压器电感无穷大,无漏磁,那么我们可以把理想变压器去掉,画成下图,其中D1、C1、R1是RCD吸收电路,D2、C2、R2是输出电路,C2就是输出滤波电容,R2就是负载。

Buck_Boost主电路6.png 问题来了:D1C1R1和D2C2R2是完全对称的,一模一样,只不过电阻和电容数值不同(二极管假定是理想的,不必考虑两个二极管有何不同)。D1C1R1两端电压比D2C2R2两端电压还要高一些。何以R2上的功率比R1上的功率大得多(至少十几倍)?好像不能完全用R1数值比R2大得多来解释,还必须考虑C1容量比C2容量小得多这一点。



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五彩晶圆(中级)

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发表于 2019-9-12 16:55 来自手机 | 显示全部楼层
两边的RC比例并不影响左边R对励磁能量的消耗吧


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五彩晶圆(中级)

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发表于 2019-9-12 16:56 来自手机 | 显示全部楼层
先设C1=0

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  你是对的。   从“先设C1=0”,想到了使用稳压管或者TVS管限压的电路。 [attachimg]432905[/attachimg]  稳压管Z的击穿电压值必须大于稳态工作时图中电容C2两端电压值(就是实际反激电路输出电  详情 回复 发表于 2019-9-13 15:54


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maychang

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 楼主| 发表于 2019-9-13 15:54 | 显示全部楼层

  你是对的。
  从“先设C1=0”,想到了使用稳压管或者TVS管限压的电路。

Buck_Boost主电路7.png   稳压管Z的击穿电压值必须大于稳态工作时图中电容C2两端电压值(就是实际反激电路输出电压反射到原边电压值)。当功率开关管关断时,Z两端电压为LM两端电压加LR两端电压,所以Z消耗的功率中有一部分是励磁电感提供的。
  但LR和LM中电流起始值虽然相同,但电流变化率却不相等,故而漏感和励磁电感中电流下降到零的时间也不等,通常选择LR中电流下降速度较快,亦即LR中储能先释放完毕。LR中储能释放完毕,电流下降到零,稳压管Z两端电压也下降到电容C2两端电压,恢复到未击穿状态,电流为零,励磁电感也不再提供能量给稳压管Z。

  所以稳压管Z消耗的能量有一部分由励磁电流所储存能量提供,有一部分由漏感电流所储存能量提供,并不是完全由漏感电流所储存的能量提供。



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maychang

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 楼主| 发表于 2019-9-13 16:19 | 显示全部楼层
不亦心 发表于 2019-9-12 00:23 尝试表达一下观点:RCD吸收能量包含励磁电感能量 直观分析: 如下图1,由主题贴图3的基础上加上RCD电 ...

你是对的。



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