跟電源專家陶顯芳學電源技術（五）：電源開關管保護電路參數的計算

　　電子發燒友網訊：國內知名電源技術專家陶顯芳不辭勞苦，在雙節期間仍堅持為各位電源工程師或愛好者排憂解難，寫出一些工程師們非常關心的技術問題和常見的電源問題及解決方法。電子發燒友網編輯現為讀者整理成幾部分為《跟電源專家陶顯芳學電源技術》系列。內容包括：

　　1、漏感與分布電容對輸出波形的影響（上）

　　2、漏感與分布電容對輸出波形的影響（下）

　　3、對漏感與分布電容的影響進行數學分析

　　4、電源開關管的過壓保護電路

　　5、電源開關管保護電路參數的計算

　　6、RCD尖峰脈沖吸收電路參數計算舉例：開關變壓器初級線圈漏感Ls的計算

　　7、RCD尖峰脈沖吸收電路參數計算舉例：尖峰脈沖吸收電容器容量的計算

　　8、RCD尖峰脈沖吸收電路參數計算舉例：尖峰脈沖吸收電阻阻值的計算。
 

電源的開關管電路

　　本文為電源開關管保護電路參數的計算，內容精彩，敬請對電子發燒友網保持密切關注。

　　從圖7可以看出，當電源開關管Q1關斷時，勵磁電流在開關變壓器鐵芯中儲存的磁能量將會通過開關變壓初、次級線圈產生反電動勢進行釋放，次級線圈產生的反電動勢將通過整流濾波電路進行平滑濾波后，再給負載提供功率輸出；同時流過變壓器次級線圈的電流也要給變壓器鐵芯進行消磁，使變壓器鐵芯中被磁化后的磁感應強度（最大磁通密度Bm）退回到被勵磁電流磁化之前的值（剩磁Br）。

　　但在實際消磁過程中，由于變壓器初、次級線圈存在漏感，流過次級線圈N2的電流 并不能完全使變壓器鐵芯進行退磁，即，變壓器鐵芯中儲存的，未被電流 退磁的一部分磁能量，將會通過漏感Ls產生的反激電壓脈沖，在變壓器初級線圈回路中產生電流來釋放。此時，如果反激脈沖電壓 泄放回路的等效電阻（圖中未畫出）很大，將會在漏感Ls或等效電阻R兩端產生非常高的反激輸出電壓。在圖3或圖7中，電源開關管D、S極兩端的等效電容Cds（實為等效電阻Rds），就相當于漏感Ls產生反激脈沖電壓 泄放回路的等效電阻。

　　前面已經分析過（參看圖3和圖6），當電源開關管Q1關斷時，加到開關管D、S極之間的電壓等于輸入電壓U與開關變壓器初級線圈N1產生的反激輸出脈沖電壓（包括漏感產生的反激輸出脈沖電壓）之和；而開關變壓器初級線圈N1產生的反激電壓脈沖，正好等于其半波平均值與一個振蕩波形迭加（參看圖6-c）。

　　可以證明，在開關電源電路中，當電源開關管突然關斷時，反激輸出尖峰高壓脈沖主要是由變壓器的漏感Ls產生的；漏感Ls產生的尖峰脈沖，首先迭加在一個幅度為開關變壓器初級線圈N1反激輸出電壓的半波平均值之上，然后再與輸入電壓迭加；三個部分電壓迭加后都一起加到電源開關管的D、S極之間。

　　在反激式開關電源之中，開關變壓器次級線圈一般都要與整流濾波電路連接，經整流濾波后輸出的直流電壓，其紋波電壓非常小，其輸出電壓基本上就等于開關變壓器次級線圈反激輸出電壓脈沖的半波平均值，或輸出電壓就是在半波平均值的基礎上迭加一個紋波，當紋波電壓很小時，輸出電壓就可以認為等于輸出電壓脈沖的半波平均值。

　　關于變壓器初、次級線圈反激輸出電壓的幅值以及半波平均值的定義與計算，請參考前面（5）～（8）式，不過需要注意的是，這些等式給出的結果，并沒有把分布電容對電路的影響考慮進去，當把分布電容考慮進去時，電路相對要復雜一些。

　　根據以上分析，以及（5）～（8）式計算結果，開關變壓器次級線圈輸出到整流二極管的反激輸出電壓脈沖的幅度正好等于輸出電壓脈沖的半波平均值（忽略整流二極管的壓降以及分布電感Ls對輸出電壓的影響）；通過電磁感應，次級電壓脈沖幅度等效到初級線圈的電壓脈沖幅度也是半波平均值，即：　，

　　 為初級線圈電壓脈沖的半波平均值， 為次級線圈電壓脈沖的半波平均值，n為變壓器次級線圈與初級線圈的電壓比。

　　在正激式開關電源之中，開關變壓器必須要設置一個次級反饋線圈，反饋線圈輸出的反激電壓脈沖經過整流之后，再反饋回工作電壓的輸入端，這相當于反饋線圈輸出的反激電壓脈沖高出輸入電壓部分完全被限幅；因此，在反饋線圈輸出的電壓中基本不含尖峰脈沖電壓，其等效到初級線圈輸出的反激電壓也不含尖峰脈沖電壓。

　　由此可知，當電源開關管關斷時，無論是反激式開關電源或者是正激式開關電源，在無漏感的情況下，開關變壓器初級線圈反激輸出的電壓脈沖幅度都基本等于半波平均值，從而可以間接證明：開關變壓初級線圈產生的高壓反電動勢是由變壓器初級線圈的漏感Ls產生的。

　　由（5）～（8）式可知，變壓器初、次級線圈反激輸出電壓的幅值主要與電源開關管的導通時間Ton的大小和電流回路中泄放電阻的大小有關，還與充電回路的電容大小有關；當電流回路中泄放電阻的阻值很大或者開路時，漏感產生的反激輸出電壓脈沖幅度是很高的，但其半波平均值與泄放電阻的阻值大小幾乎不相關，只與脈沖寬度相關，請參看（5）～（8）式。