跟电源专家陶显芳学电源技术( 五) ：电源开关管保护电路参数的计算

电源的开关管电路

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　　从图7可以看出，当电源开关管Q1关断时，励磁电流在开关变压器铁芯中储存的磁能量将会通过开关变压初、次级线圈产生反电动势进行释放，次级线圈产生的反电动势将通过整流滤波电路进行平滑滤波后，再给负载提供功率输出；同时流过变压器次级线圈的电流也要给变压器铁芯进行消磁，使变压器铁芯中被磁化后的磁感应强度（最大磁通密度Bm）退回到被励磁电流磁化之前的值（剩磁Br）。

　　但在实际消磁过程中，由于变压器初、次级线圈存在漏感，流过次级线圈N2的电流 并不能完全使变压器铁芯进行退磁，即，变压器铁芯中储存的，未被电流 退磁的一部分磁能量，将会通过漏感Ls产生的反激电压脉冲，在变压器初级线圈回路中产生电流来释放。此时，如果反激脉冲电压 泄放回路的等效电阻（图中未画出）很大，将会在漏感Ls或等效电阻R两端产生非常高的反激输出电压。在图3或图7中，电源开关管D、S极两端的等效电容Cds（实为等效电阻Rds），就相当于漏感Ls产生反激脉冲电压 泄放回路的等效电阻。

　　前面已经分析过（参看图3和图6），当电源开关管Q1关断时，加到开关管D、S极之间的电压等于输入电压U与开关变压器初级线圈N1产生的反激输出脉冲电压（包括漏感产生的反激输出脉冲电压）之和；而开关变压器初级线圈N1产生的反激电压脉冲，正好等于其半波平均值与一个振荡波形迭加（参看图6-c）。

　　可以证明，在开关电源电路中，当电源开关管突然关断时，反激输出尖峰高压脉冲主要是由变压器的漏感Ls产生的；漏感Ls产生的尖峰脉冲，首先迭加在一个幅度为开关变压器初级线圈N1反激输出电压的半波平均值之上，然后再与输入电压迭加；三个部分电压迭加后都一起加到电源开关管的D、S极之间。

　　在反激式开关电源之中，开关变压器次级线圈一般都要与整流滤波电路连接，经整流滤波后输出的直流电压，其纹波电压非常小，其输出电压基本上就等于开关变压器次级线圈反激输出电压脉冲的半波平均值，或输出电压就是在半波平均值的基础上迭加一个纹波，当纹波电压很小时，输出电压就可以认为等于输出电压脉冲的半波平均值。

　　关于变压器初、次级线圈反激输出电压的幅值以及半波平均值的定义与计算，请参考前面（5）～（8）式，不过需要注意的是，这些等式给出的结果，并没有把分布电容对电路的影响考虑进去，当把分布电容考虑进去时，电路相对要复杂一些。

　　根据以上分析，以及（5）～（8）式计算结果，开关变压器次级线圈输出到整流二极管的反激输出电压脉冲的幅度正好等于输出电压脉冲的半波平均值（忽略整流二极管的压降以及分布电感Ls对输出电压的影响）；通过电磁感应，次级电压脉冲幅度等效到初级线圈的电压脉冲幅度也是半波平均值，即：　，

　　 为初级线圈电压脉冲的半波平均值， 为次级线圈电压脉冲的半波平均值，n为变压器次级线圈与初级线圈的电压比。

　　在正激式开关电源之中，开关变压器必须要设置一个次级反馈线圈，反馈线圈输出的反激电压脉冲经过整流之后，再反馈回工作电压的输入端，这相当于反馈线圈输出的反激电压脉冲高出输入电压部分完全被限幅；因此，在反馈线圈输出的电压中基本不含尖峰脉冲电压，其等效到初级线圈输出的反激电压也不含尖峰脉冲电压。

　　由此可知，当电源开关管关断时，无论是反激式开关电源或者是正激式开关电源，在无漏感的情况下，开关变压器初级线圈反激输出的电压脉冲幅度都基本等于半波平均值，从而可以间接证明：开关变压初级线圈产生的高压反电动势是由变压器初级线圈的漏感Ls产生的。

　　由（5）～（8）式可知，变压器初、次级线圈反激输出电压的幅值主要与电源开关管的导通时间Ton的大小和电流回路中泄放电阻的大小有关，还与充电回路的电容大小有关；当电流回路中泄放电阻的阻值很大或者开路时，漏感产生的反激输出电压脉冲幅度是很高的，但其半波平均值与泄放电阻的阻值大小几乎不相关，只与脉冲宽度相关，请参看（5）～（8）式。　　在图7中，当电源开关管Q1关断时，如果忽略整流二极管的电压降，电容器C两端的电压uc，就等于变压器初级线圈中励磁电感 与漏感 产生的感应电动势（反激电压） 与 之和，即：

　　 ——开关管关断时 （22）

　　其中，

　　 ——开关管关断时 （23）

　　（28）式中， 为电源开关管由导通到完全关断期间电容器C储存的能量， 为电源开关管由导通到完全关断期间电阻R损耗的能量， 为电源开关管由导通到完全关断期间漏极电流（逐步减小）对电容器C充电产生分流作用所做的功。

　　如果不考虑电阻R对电容器C充电时产生的分流作用，以及开关管由导通到完全关断期间漏极电流（逐步减小）对电容器C充电时产生的分流作用，即： 。

则（28）式可以改写为：

　　仔细观察（31）式和（32）式可知，当电容器C的积累电荷很小时，电容器C两端电压的半波平均值就正好等于或略大于纹波电压的两倍，即： 。为了计算方便，在计算过程中，我们可以令电容器C两端电压的半波平均值约等于纹波电压的两倍来进行计算。即： 。

　　（35）和（36）中，r为一个与电阻R大小有关和与开关管D-S极之间分布电容参数有关的分流系数，0 ≤ r ≤ 1 。分流系数表示：当考虑电阻R对电容器C充电的分流作用，以及开关管由导通到完全关断期间，漏极电流对电容器C充电的分流作用时，R和D-S极分布电容对电容器C充电产生的分流作用为（1 - r）倍。当R开路和D-S极分布电容等于0时，分流系数r = 1 。

　　在实际应用中，总是要对计算结果预留一定的余量；如果令（35）和（36）式中的分流系数r = 1，即：当使用（35）和（36）式计算电容器两端的纹波电压或电容器的容量时，其计算得到的结果就相当于已经预留了（1 - r）倍的余量。因此，我们可以用（35）和（ [p] 36）式来计算电容C的容量以及其两端纹波电压 的极限值。

　　从（35）式可以看出，开关管每关断一次，电容器C两端的电压就要增加一个电压增量 ；为了不让电容器C两端的电压不断增加，必须要在开关管导通期间，把电容器C每次充电新增的电荷通过R释放掉；即，在开关管每次关断之前，电容器C两端的电压都要通过电阻R释放掉一部分，使下降的电压正好与电容器C充电时新增的电压 在数值上相等，符号相反；即下降的电压为 。

　　由图7可以看出，电容器C两端电压的最大值Ucm等于变压器初级线圈励磁电感 产生的感应电动势 和漏感 产生的感应电动势 ，两者之和（即变压器初级线圈的反激输出电压）的半波平均值，与电容器C充电时产生的电压增量 的二分之一，三者迭加。即：

　　下面我们来讨论一下，电容器电压增量 数值的选取。

　　前面已经分析过，当电源开关管Q1关断时，加到开关管D、S极之间的电压等于输入电压U与开关变压器初级线圈N1产生的反激输出脉冲电压（包括漏感产生的反激输出脉冲电压）之和，参看（39）、（40）式。在图7中，开关变压器初级线圈N1产生的反激电压脉冲的最大值，正好等于RCD尖峰脉冲吸收电路中电容器两端电压的最大值 ，而 可以根据（37）、（38）、（39）、（40）式求得。