电源设计小贴士 17：缓冲反向转换器

作者：Robert Kollman，德州仪器 (TI)

之前，我们介绍了如何对正向转换器输出整流器开启期间两端的电压进行缓冲。现在，我们来研究如何对反向转换器的 FET 关断电压进行缓冲。

图 1 显示了反向转换器功率级和一次侧 MOSFET 电压波形。该转换器将能量存储于一个变压器主绕组电感中并在 MOSFET 关闭时将其释放到次级绕组。由于变压器的漏极电感会使漏电压升至反射输出电压 (Vreset) 以上，因此 MOSFET 关闭时通常会需要一个缓冲器。存储于漏极电感中的能量可使 MOSFET 产生雪崩现象，因此要添加一个由 D1、R24 和 C6 组成的钳压电路。该电路的钳位电压取决于漏电的能量大小以及电阻器的功率消耗。更小值的电阻虽然可以降低钳位电压，但会增加功率损耗。


图 1 FET 关断时漏极电感形成过电压

图 2 显示的是变压器主绕组和次级绕组的电流波形。左侧是 MOSFET 开启时的简化功率级。输入电流通过漏极电感和互电感的串联组合斜坡上升。右边显示的是关断期间的一个简化电路。此处，电压已反向至输出二极管和钳位二极管正向偏置的点。我们展示了反射到变压器一次侧的输出电容器和二极管。两个电感为串联，并在 Q1 关断时初始传输相同的电流。这就是说关断以后输出二极管 D2 中并未立即出现电流，同时总变压器电流在 D1 中流动。漏极电感的电压是钳位电压和重位电压之间的差，且往往会快速释放漏电。如图所示，经过简单计算便可得到分流至缓冲器的能量大小。因此您可以通过缩短释放漏极电感中能量的时间，来减少分流能量。提高钳位电压可以实现这一目标。


图 2 漏极电感窃取输出能量

有趣的是，您可以在钳位电压和缓冲器功耗之间计算得到一个折中值。如图 2 所示，进入钳位电路的功率等于平均钳位二极管电流乘以钳位电压（假设一个恒定钳位电压）。重排某些项后，我们可以得到 ½ * F *L * I2，其与间断反向转换器输出功率相关。这种情况下，电感为漏极电感。该表达式稍稍令人有些吃惊，因为其中的功率损耗不仅仅是存储于漏极中的能量。它始终都较大，但却依赖于钳位电压。图 3 显示了这种关系。该图绘出了漏极电感能量损耗标准化损耗与钳位电压和重位电压之比的对比关系。在钳位电压高值位置，缓冲器损耗接近漏极电感中的能量。由于减小电阻降低了钳位电压，因此能量从主输出分流，同时缓冲器损耗急剧增加。在 1.5 Vclamp/Vreset 比时，其几乎三倍于漏极电感存储能量相关的损耗。


图 3 增加钳位电压可降低缓冲器损耗

碰巧的是，漏极电感通常为磁化电感的 1% 左右。这让图 3 看起来更为有趣，其向我们表明降低钳位电压会对效率产生的影响，所以只需纵轴变为效率损耗。因此，将钳位比从 2 降到 1.5 会对效率产生 1% 的影响。

总之，反向转换器的漏极电感可对电源开关产生不可接受的电压应力。RCD 缓冲器可以控制这种应力。但是，可以在钳位电压和电路损耗之间有一种折中方法。