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2017.05.11 AC/DC

設計絕緣型返馳式轉換器電路:決定主要零件-CIN和緩衝電路

採用AC/DC PWM方式的返馳式轉換器設計方法

本節將說明輸入上會設置的輸入電容C1和緩衝電路。
這裡所提到的輸入,係指橋式二極體整流AC電壓後,再轉換成DC高電壓。如同下方電路圖,輸入電容C1和緩衝電路R4 、C3 、D3,是變壓器T1的一次側電壓線,和橋式二極體的整流電壓相接。

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全體電路可以操作滑鼠,點擊「設計絕緣型返馳式轉換器電路」的全體電路圖後,開啟新視窗放大電路圖。

輸入電容 C1

輸入電容CIN和C1 450V/100Μf相接。該電容主要工作有2個,會在輸入電壓瞬間降低、阻斷時發揮功效。

第1個工作發生在AC輸入瞬斷時。在輸入電壓全無時,經由充電至C1的電荷,於短時間內供應功率。第2個工作為開關用電晶體MOSFET,非常快速地開啟、關閉大電流時,若一次側反應速度不及,且輸入阻抗高,造成輸入電壓短時間下降,將經由C1補足電壓。不論何者,當輸入電壓低於必要電壓時,理所當然輸出電壓會發生異常,造成供電電路的運轉出現問題。雖非完全解決,但C1至少能減輕此類問題。

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以下表所示之數值為基準,決定輸入電容 C1的靜電容量。將設計規格數值套入公式內,計算出Pout

Pout=12V×3A=36W
C1=2×36W=72μF ⇒ 為100μF。
輸入電壓(VAC) CIN(μF)
85-264 2×Pout(W)
180-264 1×Pout(W)

上方表格的係數是以全波整流時為標準。會因為條件不同,以及配合瞬斷時維持輸入的時間等規格,而必須調整容量。

C1耐壓以輸入AC電壓的峰值為基準。為264VAC時:

264V×√2=264×1.41=372V ⇒ 400V以上。

因此C1選擇100μF、450V。至於電容幾乎都是使用電解電容。

緩衝電路 R4 、C3 、D3

和電路圖輸入線路、MOSFET相接的電阻R4、電容C3 、二極體D3,組成所謂的緩衝電路。

返馳方式中,會在變壓器的鐵芯保留間隙,增加漏磁且產生漏電感。開關電流會經過該漏電感並蓄積能量,但因為未和其他線圈相接,無法轉移功率而產生突波電壓,並施加到MOSFET的汲極-源極之間。產生的突波電壓超過MOSFET的耐壓時,就可能破壞MOSFET。為了避免發生此一現象,插入緩衝電路以抑制突波電壓。緩衝電路詳細內容請參照「絕緣型返馳式轉換器的基本概念:返馳式轉換器的運轉和緩衝」此項目。

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建立緩衝電路時,將依1)箝位電壓和箝位漣波電壓、2)R4 、3)C3、4)D3的順序一一決定好各裝置,。

1)決定箝位電壓(Vclamp)、箝位漣波電壓(Vripple)
箝位電壓如同其名,是強行壓制突波現象的電壓。考量MOSFET耐壓和突波現象後做出決定。MOSFET選擇800V耐壓品。上限為20%。箝位漣波電壓(Vripple)則是根據經驗法測,預估50V左右。

Vclamp=800V×0.8=640V
Vripple=50V

2)決定R4
經由下列公式決定R4。

10A_formulas01

漏電感Lleak為一次側電感Lp的10%時: Lleak=Lp×10%=249μH×10%=25μH
將設計變壓器階段所算出的各項數值套入公式內:

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R4 必須比該數值小,所以R4=75kΩ。
決定R4的數值為75kΩ,所以R4的損耗設定為P_R4。能夠經由下列公式算出P_R4。

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3)決定C3
經由下列公式算出C3。

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根據施加在C3的電壓算出耐壓為: 640V-264×1.41=268V ⇒取上限值,為400V以上。

4)決定D3
二極體必須具備高速特性,因此使用高速整流二極體。耐壓選擇MOSFET的Vds(max)以上的電壓。電路圖則是選擇800V的規格品。

到此決定好了緩衝電路的電阻R4、電容C3 、二極體D3。最後,由於突波電壓除了變壓器的漏電感外,也會對機板配線的寄生電感造成影響,因此組裝在機板上之後,確認Vds電壓,並在必要時調整緩衝電路。
緩衝電路是返馳式轉換器中,非常基本且必要的電路,因此請重復實機確認、評估等,藉此理解其運轉原理和效果。

重點:

・輸入電容CIN能在輸入電源瞬斷、開關時,補足所流入的輸入電流,是電路上非常重要的裝置。

・基本上緩衝電路為必要配件,能在輸入產生突波之際,保護開關用電晶體。

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