关于开关电源中抑制开关管DS电压尖峰的研究分析

关于开关电源中抑制开关管DS 电压尖峰的研究分析
在开关电源的设计试验中，设计者通常希望能将电路的损耗降到最低，而损耗中很重要的一部分来自于开关管的开关损耗。

开关管开关时电压和电流的重叠是开关损耗的主要成因。

在含有变压器的开关电源中，由于变压器漏感的影响，开关管的开通损耗一般都比较小；在导通瞬间，变压器漏感很大的导通阻抗使开关管两端电压迅速下降到零，并减缓了电流的上升速率，即开关管导通时电流上升的大部分时间内开关管的DS 电压基本为零，所以其导通损耗可以忽略，也就是说，开关损耗主要来源于开关管关断时的损耗。

我们经常会遇到开关管在关断的瞬间其DS 电压会出现瞬间高压值，即电压尖峰，该电压尖峰在使用不同的开关管时，形成的原因也会不同，但笔者认为其原因不外乎以下两种：一是开关管关断时变压器初级的漏感尖峰电压；二是由于开关管内部的杂散寄生电感和电容，在其关断时产生的电压浪涌。

对于整流二极管而言，其截至时的反向恢复电流也会产生电流浪涌和电压浪涌。

电压尖峰的存在会影响电路的稳定性，可能会产生EMI 问题及电路产生噪声，严重时电压尖峰可能会超出开关管的规格要求，导致开关元件的损坏，所以设计者一般会采用吸收电路来降低电压尖峰同时降低其开关损耗。

这些吸收电路的原理就是在开关断开时为开关提供旁路，以吸收蓄积在杂散寄生电感和漏感中的能量，并使开关电压被钳位从而抑制浪涌电流。

常见的吸收电路有RC 吸收电路、LC 吸收电路RCD 吸收电路。

现对其中的RCD 吸收电路和RC 吸收电路做一整理总结。

1、 RCD 吸收电路
RCD 吸收电路的原理图如下图所示，其构成为电容Cs 与电阻Rs 并联后与二极管VDs 串联后并联在开关管的两端。

其工作原理为：当开关管关断瞬间，变压器初级漏感和开关管杂散寄生电感中存储的能量将会在给开关管寄生电容充电，其电压上升到吸收电容的电压时，吸收二极管导通，从而使开关电压被二极管所钳位，同时漏感和寄生电感中储存的能量也向吸收电容充电。

开关管关断时，流过管子的电流会变小，而由于变压器漏感的存在，会阻碍电流的减小，此时的电流一部分流过即将关断的开关管，一部分流过吸收回路为电容Cs 充电，电容储存的能量为22
1CS s c U C W ∆=。

此时电容Cs 的作用相当于增加了开关管的等效电容，从而抑制其关断时的电压浪涌。

如果电容Cs 可以选得很大，就可以有效的抑制电压尖峰，同时也就减小了电流和电压重叠部分的面积，减小关断损耗，但考虑到Cs 充电后要进行完全的放电，所以Cs 的选取要有一定的限制。

由于Cs 在关断瞬间被充电，所以必须在下一个关断时刻到来前对其进行放电。

开关管导通后，其集电极电压被拉低，从而构成了Cs 的放电回路，电容Cs 通过电阻Rs 放电。

如果每个周期电容储存的
能量全部消耗在电阻Rs 上，则电阻Rs 消耗的功率为T
U C P CS
S Rs 221∆=，所以电容的选取一定要考虑到电阻的损耗，换句话说，电阻Rs 的取值限制了吸收回路对电压尖峰的抑制程度。

在设计电路时一定要注意Rs 和Cs 的取值，RC 电路取值不合适，不仅起不到抑制电压尖峰的作用
导致开关管的击穿，还可能增加开关管的损耗，增大其温升，降低开关电源的工作效率。

下面介绍一种计算Rs 和Cs 的方法： 流过变压器的电流最大值)0(i T L
V I on in m += （1） 其中L 为变压器初级回路的总电感，包括励磁电感μL 、漏感p L 和开关管杂散寄生电感s L
开关管导通期间p L 和s L 吸收的能量为2)(2
1m S p L I L L W += (2) 管子关断时电感吸收的能量全部被电容吸收，即C L W W = 所以222
1)(21CS s m S p U C I L L ∆=+ （3） 当电路工作与DCM 模式时0)0(=i ，将（1）带入（3）可得吸收电容的最大值和Cs 的电压增量的最大值分别为
)()()()(22S P CS
on in S P CS m Sm L L U L T V L L U I C +∆=+∆= (4) Sm
S P on in Sm S P m CSm C L L L T V C L L I U +=+=∆ (5) 其中，on T 为开关管的导通时间。

由此可得Cs 的最大值。

由（5）可知，Cs 的值取得越大，其电压增量就会越小，DS 电压的尖峰也会越小。

开关管每关断一次，电容S C 两端都会有一个电压增量CS U ∆，所以为了防止电容S C 两端的电压不断增加，必须在开关管导通期间将电容的电荷增量通过吸收电阻放掉，而电容器每次充放电的多少由放电电阻Rs 决定，所以电阻的选取也至关重要。

当开关管由关断转为导通时，电容Cs 两端电压通过电阻Rs 按指数衰减规律进行放电，即
S S S S C R t
CS L C R t
cm c e U U e U u --∆+==)21( （5） 式中cm U 为电容两端电压最大值，CS U ∆为电容Cs 两端的纹波电压，L U 为原边各电感的感应电动势之和，D
D V T T V U in off on in L -==1 由于其放电作用，所以在开关管由开通到关断的瞬间应为电容两端电压的最小值CX U
S S on S S on
C R T CS L C R T cm CX e U U e U U --∆+==)21( （6）
如果电容Cs 在一个周期内增加的电荷量在周期结束时刚好释放光，则
)2
1(CS L C R T cm CX U U e
U U S S on ∆-==- （7） 则由（6）和（7）可得 )2
1()21(CS L C R T CS L U U e U U S S on ∆-=∆+- 所以CS L CS L C R T U U U U e S S on
∆+∆-=-2121，即)2
121l n (CS L CS L S S on U U U U C R T ∆+∆--= (8) 由此，则可以计算出Rs 的值。

因此RsCs 值的确定首先要根据（4）式确定Cs 的最大值，然后再根据（8）式计算Rs 的值。

因为，电容器第一次充电时，其两端电压值是最主要的，之后电容才通过电阻进行放电，而电容放电速率的大小，完全有电阻的大小来决定，即在RCD 电路中，电容充电的幅度主要由电容来决定，而其放电的幅度则由电阻来决定，两者一定要平衡。

以上给出的只是理想状态的理论计算值，并且与Cs 的纹波电压取值有关。

R 和C 的选取同时要兼顾到电压电流的波形波动情况和变化率以及电阻上的功耗和EMI 等一系列的问题。

在理论计算的基础上还要经过不断的实验调试才能得出理想的状态，在开关损耗最小的情况下，有效的抑制开关管的DS 电压尖峰。

（2）RC 吸收电路
RC 吸收电路与RCD 电路的原理基本相似。

其电路为吸收电阻与吸收电容串联后与开关管并联的电路结构。

当开关管关断瞬间，变压器初级漏感和开关管的杂散寄生电感中储存的能量在向开关管寄生电容充电的同时也通过吸收电阻向吸收电容Cs 充电。

由于吸收电阻的作用，其阻抗将变大，同样相当于增大了电容的容量，抑制开关管断开时的电压浪涌。

开关管关断时吸收电容通过吸收电阻向开关管放电，Rs 的存在也限制了放电电流的大小。

关于Rs 、Cs 的选取过程可参照上述RCD 吸收电路的过程进行，在此不做赘述。

以上介绍的几种方法是通过旁路的方式来吸收开关管关断时诸电感中的能量，除此之外，设计者也可根据所用开关管的开关特性来设计合理的驱动电路，来降低关断时的电流减小的速度，即dt
di 值，来减小DS 电压尖峰，也可同时应用两种方法进行协调控制。

总之不论选取那种方式对电压尖峰进行抑制，其最终目的都是在实现电压尖峰得到有效抑制的同时不使开关损耗增大和效率的降低，即不能产生其他的副作用。