接著上次介紹的《雙節(jié)有驚喜，教你計(jì)算電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)》。
1、開關(guān)變壓器初級(jí)線圈漏感Ls的計(jì)算
反激式開關(guān)變壓器的漏感一般都比較大，漏感與初級(jí)線圈電感之比，大多數(shù)都在2～5%之間。漏感的大小主要與變壓器初、次級(jí)線圈的繞法、鐵芯和骨架的結(jié)構(gòu)，以及氣隙大小等參數(shù)有關(guān)，還與磁通密度取值的大小有關(guān)，因?yàn)榇磐芏热〉迷酱螅瑢?dǎo)磁率就會(huì)越小，漏感相對(duì)也要增大。漏感小于2%或大于15%的開關(guān)變壓器，其結(jié)構(gòu)一般都比較特殊。
開關(guān)變壓器初級(jí)線圈電感量的大小，主要與開關(guān)電源的工作頻率有關(guān)，還與工作電壓和輸出功率的大小有關(guān)。一般輸出功率越大，工作頻率就越低，電感量相應(yīng)也要增大；而工作電壓越高，電感量也越大。開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感L和漏感Ls的大小可以用儀表直接測量，一般工作頻率為30～50kHz，工作電壓為AC110V~220V的開關(guān)變壓器，其初級(jí)線圈的電感量大約為：300～1000微亨，漏感大約為：10～100微亨；計(jì)算時(shí)，可按3～6%的比例來取值進(jìn)行估算。例如：L=1000uH，則可取 Ls = 30～60uH。
2、尖峰脈沖吸收電容器容量的計(jì)算
要計(jì)算尖峰脈沖吸收電容器容量，首先要計(jì)算流過變壓器初級(jí)線圈電流的最大值。計(jì)算流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。電流Im可根據(jù)開關(guān)電源的最大輸入功率Pm來估算。根據(jù)【1-26】式，當(dāng)輸出功率一定時(shí)，輸入電壓在一定的范圍內(nèi)，流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im和輸出電壓Uo基本是穩(wěn)定的；變壓器初、次級(jí)線圈反激輸出電壓的半波平均值也基本是穩(wěn)定的，與輸入電壓的大小無關(guān)，但對(duì)應(yīng)不同的輸入電壓必須對(duì)應(yīng)不同的占空比，參看【1-41】、【1-42】式。
當(dāng)流過開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的最大電流確定之后，尖峰脈沖吸收電容器容量以及電容充電時(shí)電壓增量的數(shù)值就可以按【1-33】～【1-36】式進(jìn)行計(jì)算。
在實(shí)際應(yīng)用中，電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量
的數(shù)值，與開關(guān)管的耐壓BVm的參數(shù)大小有關(guān)。假設(shè)電源開關(guān)管的耐壓BVm為650V，如果預(yù)留20%的余量，那么，正常工作時(shí)，加到開關(guān)管D-S極之間的最高脈沖電壓Umds只能達(dá)到520Vp。而在520Vp的Umds電壓之中，電容器C吸收尖峰脈沖電壓增量 （等于 
）這一項(xiàng)是要首先考慮的。假設(shè)等于Umds電壓的20%，即：等于104 V，當(dāng)最高輸入電壓為360V時(shí)（對(duì)應(yīng)交流輸入電壓為AC253V），根據(jù)【1-39】式可求得：
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假設(shè)漏感Ls與開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感L的比值K為5%，根據(jù)【1-42】式可求勵(lì)磁電感產(chǎn)生的反擊輸出電壓 eu的半波平均值 Upau為：
大多數(shù)反激式開關(guān)電源的最大輸出功率都在100W一下，因?yàn)橛糜诜醇な介_關(guān)電源功率損耗大于10W的電源開關(guān)管種類很少，如需要較大的輸出功率，一般都選用半橋式或全橋式雙激式開關(guān)電源。
假設(shè)開關(guān)電源的最大輸出功率為50W，當(dāng)占空比D = 0.5時(shí)，變壓器初級(jí)線圈的反激輸出電壓的半波平均值 Upal與輸入電壓U相等，即，Upal=U =108V，Upau=102.6 V，而流過變壓器初級(jí)線圈的最大電流Im等于平均電流的4倍，由此可求得最大輸入電流Im = 1.95A ；假設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量L=1000uH，漏感Ls = 50uH。把這些參數(shù)代入【1-34】式，可求得：
當(dāng)考慮電阻R對(duì)電容器C充電的分流作用，以及開關(guān)管由導(dǎo)通到完全關(guān)斷期間，漏極電流對(duì)電容器C充電的分流作用時(shí)，根據(jù)【1-36】式，假設(shè)分流系數(shù)r = 0.5 ，則【1-52】式還可改寫為：
上面【1-52】和【1-53】式的計(jì)算結(jié)果，可作為對(duì)RCD尖峰脈沖吸收電路進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，選擇電容器容量的上限和下限，最終結(jié)果需要通過電路試驗(yàn)來決定。
試驗(yàn)時(shí)，以輸入電壓和輸出功率的最大值為條件，然后，由大到小，選擇不同容量的電容器做試驗(yàn)，用示波器觀測電源開關(guān)管D-S兩端的電壓，直到Uds與最高耐壓BVm兩者之差能滿足余量要求時(shí)，為最佳結(jié)果。
這里順便說明一下，為什么【1-53】式中的分流系數(shù)取值為0.5，而不是其它數(shù)值。因?yàn)椋至飨禂?shù)r的取值范圍是0～1，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)系數(shù)，它的大小，除了與輸入電壓和輸出功率和RCD電路中電容、電阻的大小有關(guān)外，還與開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間，以及電流大小有關(guān)系。
3、尖峰脈沖吸收電阻阻值的計(jì)算
紋波電壓的大小與釋放電阻R的大小還有關(guān)。一旦電容器的容量確定之后，釋放電阻R的大小就可以根據(jù)【1-45】～【1-49】來計(jì)算。根據(jù)【1-38】式，電容器兩端最高電壓為：
根據(jù)（46）式，電容器兩端最低電壓為：
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把【1-54】和【1-55】式的結(jié)果代入【1-49】式，即可求出RC的值：
當(dāng)RC的值與開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton完全相等時(shí)，【1-46】式的值正好等于0.37，與【1-56】式的結(jié)果非常接近。或者當(dāng)紋波電壓=100V時(shí)，由（56）式計(jì)算得到的結(jié)果正好等于0.37，兩者誤差小于4%，因此，可以認(rèn)為RC的值與開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton完全相等，以此為條件來計(jì)算RC的值。即：
把由【1-52】和(2-73)式求出電容器C的結(jié)果，以及根據(jù)【1-25】式求出的Ton值，代入【1-57】式后即可求出電阻R的值。
由于，當(dāng)占空比D小于0.5時(shí)，流過電感線圈的電流出現(xiàn)斷流(平均值)，這也會(huì)對(duì)分流系數(shù)產(chǎn)生很大的影響，使計(jì)算非常復(fù)雜；為了簡單，我們?cè)谟?jì)算開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton時(shí)，還是以占空比等于0.5為例。
當(dāng)占空比等于0.5時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入電壓U為108V，對(duì)應(yīng)的最大電流Im為1.95A，假設(shè)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的電感量L=1000uH，根據(jù)【1-45】式，可求得Ton的值為：
把【1-53】、【1-58】式的計(jì)算結(jié)果：C = 4395P，Ton = 18uS ，代入【1-57】式：
即：計(jì)算結(jié)果為：C = 4395P ； R = 4096 歐姆。
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試驗(yàn)結(jié)果表明，【1-53】和【1-59】式的計(jì)算結(jié)果是合理的。當(dāng)開關(guān)變壓器初級(jí)線圈的漏感為5%時(shí)，其反激輸出電壓的平均功率也為5%（Pa = 2.5W）；由于電容器C兩端電壓的半波平均值為108V，由此可求得電阻R（4096 歐姆）損耗的功率為2.85W，與精確值2.5瓦相差0.35W。這正是把【1-36】式設(shè)為電容器取值范圍下限，對(duì)應(yīng)【1-53】和【1-59】所求得的結(jié)果，即由【1-59】所求得的結(jié)果還是一個(gè)保守的結(jié)果，但其離精確值已經(jīng)非常近。
當(dāng)輸入電壓為最大值（AC260V）的時(shí)候，其占空比大約只有0.3左右，因此，電容器充電的時(shí)間要比放電的時(shí)間長很多；在電容器還處在充電期間，變壓器初級(jí)線圈就會(huì)出現(xiàn)斷流，這相當(dāng)于電容器會(huì)提前放電，其結(jié)果與占空比等于0.5時(shí)的結(jié)果基本相同。但做試驗(yàn)時(shí)，最好還是以輸入電壓為最大值時(shí)為準(zhǔn)。如電阻R的值取得小些，相當(dāng)于分流系數(shù)r降低，這對(duì)降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗是有好處的，因?yàn)椋_關(guān)變壓器漏感儲(chǔ)存的磁能量，一部分是通過開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的損耗來釋放的，另一部分則是通過RCD回路中的電容充電和電阻分流來進(jìn)行釋放；但電阻的阻值取得太小，又會(huì)從勵(lì)磁電感線圈存儲(chǔ)的能量中吸收能量，降低開關(guān)電源的工作效率。
在反激式開關(guān)電源中，很多人用一個(gè)穩(wěn)壓二極管來代替RCD電路中的電阻和電容，用以對(duì)開關(guān)管進(jìn)行過壓保護(hù)，如圖8所示。從原理上來說，這種方法對(duì)開關(guān)管的過壓保護(hù)是非常有效的，但實(shí)踐證明，這種保護(hù)方法可靠性是非常差的。因?yàn)椋?dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，1.95A（以上面計(jì)算結(jié)果為例）的電流流過150～200V的穩(wěn)壓二極管，其產(chǎn)生的瞬時(shí)功率高達(dá)290～390W，這么大的瞬時(shí)功率很容易使穩(wěn)壓二極管損傷，當(dāng)損傷程度達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)后，就會(huì)產(chǎn)生熱擊穿，造成永久失效。
另外，當(dāng)穩(wěn)壓二極管還沒擊穿之前，它不會(huì)對(duì)開關(guān)管分流，從而大大增大開關(guān)管的關(guān)斷損耗；并且，流過穩(wěn)壓二極管的電流還產(chǎn)生很大的電流突跳，很容易產(chǎn)生高頻電磁輻射。因此，對(duì)開關(guān)管進(jìn)行過壓保護(hù)，在技術(shù)性能方面，選用RC要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于選用穩(wěn)壓二極管。
減小開關(guān)變壓器的漏感是提高開關(guān)電源工作效率和工作可靠性的最好方法，但這一點(diǎn)很少有人注意。
【連載】陶顯芳老師談開關(guān)變壓器的工作原理與設(shè)計(jì)：
雙節(jié)有驚喜，教你計(jì)算電源開關(guān)管保護(hù)電路參數(shù)
http://www.shuilikongzhifa.com/power-art/80022319
陶老師教你：對(duì)漏感與分布電容的影響進(jìn)行數(shù)學(xué)分析
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陶老師精講：單激式開關(guān)電源的基本電路
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線圈電感量的計(jì)算及幾種典型電感介紹
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開關(guān)變壓器的漏感工作原理及計(jì)算
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開關(guān)變壓器鐵芯脈沖導(dǎo)磁率與平均導(dǎo)磁率的測量
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雙激式開關(guān)變壓器鐵芯磁滯損耗、渦流損耗的測量
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單激式開關(guān)變壓器鐵芯磁滯損耗、渦流損耗的測量
http://www.shuilikongzhifa.com/power-art/80022170
