開關電源|MOS管的關斷緩沖電路詳解-KIA MOS管

MOS管的關斷緩沖電路

在帶變壓器的開關電源拓撲中，開關管關斷時，電壓和電流的重疊引起的損耗是開關電源損耗的主要部分，同時，由于電路中存在雜散電感和雜散電容，在功率開關管關斷時，電路中也會出現過電壓并且產生振蕩。

如果尖峰電壓過高，就會損壞開關管。同時，振蕩的存在也會使輸出紋波增大。為了降低關斷損耗和尖峰電壓，需要在開關管兩端并聯緩沖電路以改善電路的性能。

緩沖電路的主要作用有：一是減少導通或關斷損耗；二是降低電壓或電流尖峰；三是降低dV／dt或dI／dt。由于MOSFET管的電流下降速度很快，所以它的關斷損耗很小。

雖然MOS管依然使用關斷緩沖電路，但它的作用不是減少關斷損耗，而是降低變壓器漏感尖峰電壓。本文主要針對MOS管的關斷緩沖電路來進行討論。

RC緩沖電路設計

在設計RC緩沖電路時，必須熟悉主電路所采用的拓撲結構情況。圖l所示是由RC組成的正激變換器的緩沖電路。

圖中，當Q關斷時，集電極電壓開始上升到2Vdc，而電容C限制了集電極電壓的上升速度，同時減小了上升電壓和下降電流的重疊，從而減低了開關管Q的損耗。而在下次開關關斷之前，C必須將已經充滿的電壓2Vdc放完，放電路徑為C、Q、R。

假設開關管沒帶緩沖電路，圖1所示的正激變換器的復位繞組和初級繞組匝數相同。這樣，當Q關斷瞬間，儲存在勵磁電感和漏感中的能量釋放，初級繞組兩端電壓極性反向，正激變換器的開關管集電極電壓迅速上升到2Vdc。

同時，勵磁電流經二極管D流向復位繞組，最后減小到零，此時Q兩端電壓下降到Vdc。圖2所示是開關管集電極電流和電壓波形。

可見，開關管不帶緩沖電路時，在Q關斷時，其兩端的漏感電壓尖峰很大，產生的關斷損耗也很大，嚴重時很可能會燒壞開關管，因此，必須給開關管加上緩沖電路。

當開關管帶緩沖電路時，其集電極電壓和電流波形如圖3所示(以正激變換器為例)。

在圖1中，當Q開始關斷時，其電流開始下降，而變壓器漏感會阻止這個電流的減小。一部分電流將繼續通過將要關斷的開關管，另一部分則經RC緩沖電路并對電容C充電，電阻R的大小與充電電流有關。

Ic的一部分流進電容C，可減緩集電極電壓的上升。通過選取足夠大的C，可以減少集電極的上升電壓與下降電流的重疊部分，從而顯著降低開關管的關斷損耗，同時還可以抑制集電極漏感尖峰電壓。

圖3中的A-C階段為開關管關斷階段，C-D為開關管導通階段。在開關管關斷前，電容C兩端電壓為零。在關斷時刻(B時刻)，C會減緩集電極電壓的上升速度，但同時也被充電到2Vdc(在忽略該時刻的漏感尖峰電壓的情況下)。

電容C的大小不僅影響集電極電壓的上升速度，而且決定了電阻R上的能量損耗。在Q關斷瞬間，C上的電壓為2Vdc，它儲存的能量為0．5C(2Vdc)2焦耳。如果該能量全部消耗在R上，則每周期內消耗在R上的能量為：

對限制集電極上升電壓來說，C應該越大越好；但從系統效率出發，C越大，損耗越大，效率越低。因此，必須選擇合適的C，使其既能達到一定的減緩集電極上升電壓速度的作用，又不至于使系統損耗過大而使效率過低。

在圖3中，由于在下一個關斷開始時刻(D時刻)必須保證C兩端沒有電壓，所以，在B時刻到D時刻之間的某時間段內，C必須放電。

實際上，電容C在C-D這段時間內，也可以通過電阻R經Q和R構成的放電回路進行放電。因此，在選擇了一個足夠大的C后，R應使C在最小導通時間ton內放電至所充電荷的5％以下，這樣則有：

式(1)表明R上的能量損耗是和C成正比的，因而必須選擇合適的C，這樣，如何選擇C就成了設計RC緩沖電路的關鍵，下面介紹一種比較實用的選擇電容C的方法。

事實上，當Q開始關斷時，假設最初的峰值電流Ip的一半流過C，另一半仍然流過逐漸關斷的Q集電極，同時假設變壓器中的漏感保持總電流仍然為Ip。

那么，通過選擇合適的電容C，以使開關管集電極電壓在時間tf內上升到2Vdc(其中tf為集電極電流從初始值下降到零的時間，可以從開關管數據手冊上查詢)，則有：

因此，從式(1)和式(3)便能計算出電容C的大小。在確定了C后，而最小導通時間已知，這樣，通過式(2)就可以得到電阻R的大小。

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