電源設(shè)計(jì)進(jìn)階閱讀：如何處理反激電源變壓器漏感

反激電源的RCD吸收，對電源研發(fā)行業(yè)從業(yè)者來說是非常常見的電路，一般認(rèn)為為了處理反激電源變壓器漏感帶來的功率管電壓尖峰，需要通過RCD電路進(jìn)行處理。盡管十分常見，但是最后還是決定寫一個(gè)專題的系列文章，初步估計(jì)會有三到四篇文章，內(nèi)容分別關(guān)于變壓器漏感、RCD連接方式、損耗計(jì)算和元件選型，希望能帶給讀者一些新的研發(fā)思路。

本文適合于電源研發(fā)工程師進(jìn)階閱讀。

一些基本理論

變壓器，一種利用電-磁互相轉(zhuǎn)化的原理實(shí)現(xiàn)能量從一個(gè)端口到另一個(gè)端口的電子元件，基本結(jié)構(gòu)是磁芯以及繞在同一個(gè)磁芯上的兩個(gè)或多個(gè)繞組。

盡管通常并不會把反激電源變壓器當(dāng)做典型的變壓器來分析（實(shí)踐中往往當(dāng)做耦合電感），但是變壓器的相關(guān)理論顯然仍然適用于反激電源變壓器。

理想的變壓器是沒有能量損耗的，且變壓器各個(gè)繞組之間完全耦合，這時(shí)候變壓器的電路模型就十分簡單。但是實(shí)際上，變壓器在進(jìn)行電-磁-電的轉(zhuǎn)換過程中，無論是磁芯還是繞組都是有損耗的，而且繞組之間并不能做到完全耦合。這時(shí)候，變壓器的電路模型就復(fù)雜的多。這時(shí)候，可以使用等效電路將變壓器轉(zhuǎn)換為基本的電阻、電感等元件，借助基本的電路理論進(jìn)行一些簡化分析。

上圖是一個(gè)簡圖。實(shí)際的變壓器耦合不好，導(dǎo)致了漏感L_p、L_s；電流流過變壓器繞組產(chǎn)生的損耗是由于電阻R_p、R_s；在磁芯激勵(lì)出磁場才能將能量傳遞到副變，出現(xiàn)了勵(lì)磁電感L_m；磁芯中的變化的磁場是需要消耗能量才能維持的，有了勵(lì)磁損耗R_m。加上中間的理想變壓器，這就有了實(shí)際變壓器的一個(gè)近似等效。

這時(shí)，中間的理想變壓器只起到了隔離的作用。通過阻抗變換，我們可以去掉它：

無論變壓器匝數(shù)比是多少，我們都可以通過阻抗變換，將變壓器次級的阻抗乘以匝數(shù)比的平方，而將變壓器匝數(shù)比替換為1:1。一個(gè)1:1的變壓器原副邊等電位點(diǎn)連載一起，就得到了變壓器的T型等效電路。

在一般的電力變壓器分析時(shí)，考慮到中間的勵(lì)磁支路的電流相對負(fù)載電流來說很小，將R1、X1上的勵(lì)磁電流忽略，那么勵(lì)磁支路就可以移到左側(cè)端口，就得到了變壓器的Γ型等效電路：

這時(shí)候，同一之路上的阻抗可以合并，變壓器及負(fù)載變成了兩個(gè)并聯(lián)的阻抗支路，分析的時(shí)候就十分簡單。

而在反激變壓器工作時(shí)，其實(shí)不存在上述分析時(shí)提到的變壓器的負(fù)載電流，在反激電路原邊繞組勵(lì)磁時(shí)副邊繞組開路，那么這時(shí)可以把勵(lì)磁支路移動右側(cè)端口，原理實(shí)際是一樣的，就不贅述了。

前文提到過，變壓器即是耦合電感，變壓器的T型等效電路與耦合電感的T型去耦電路在形式上是一樣的。變壓器可以認(rèn)為是耦合系數(shù)極大的特殊耦合電感，分析時(shí)可以適當(dāng)簡化。

上面的內(nèi)容其實(shí)在很多教材中都有。這樣的等效電路是變壓器分析時(shí)的有效工具，前面的兩個(gè)截圖就是來自本科教材 《電機(jī)學(xué)》華中科大版。網(wǎng)上有這個(gè)書的pdf版，強(qiáng)烈建議電源工程師仔細(xì)讀一下其中的變壓器相關(guān)章節(jié)。（考慮到可能存在的版權(quán)問題，這份資料就不上傳到這里了）

等效漏感分析與優(yōu)化

這部分結(jié)合反激電源的實(shí)際情況，寫一下反激拓?fù)渲兴^的漏感從哪里來。先說結(jié)論：反激拓?fù)渲械穆└?，主要來自兩個(gè)方面：變壓器自身結(jié)構(gòu)，和PCB走線的寄生電感。

考慮到能讀到這里的肯定都是進(jìn)階讀者，反激拓?fù)涞穆└衼碜宰儔浩髯陨斫Y(jié)構(gòu)這個(gè)就不多解釋了。

而往往會被忽略的是，PCB走線，尤其是變壓器次級PCB走線的寄生電感，也是反激拓?fù)涞牡刃└械闹匾獊碓?。PCB走線寄生電感的示意圖如下：

上圖中的L1~L4位置在實(shí)踐中都會有一段引線，按前文的理論，其寄生電感都應(yīng)等效為變壓器漏感，實(shí)際上也都會影響到MOSFET的電壓應(yīng)力。

可能L1~L3對MOSFET電壓應(yīng)力的影響比較容易理解。如果某位讀者對電感L4影響原邊MOSFET電壓應(yīng)力有疑問——在原邊MOSFET產(chǎn)生漏感電壓尖峰應(yīng)力時(shí)，L4并沒有電流流過，那么不妨這樣想：由于L4的阻抗的存在，在原邊MOSFET截止時(shí)，變壓器中儲存的能量無法立即開始向次級傳遞，那么變壓器能量只能先在原邊流出，直到電感L4的電流上升到足夠大。顯然，由于L4的阻抗，反激電源原邊MOSFET的電壓應(yīng)力會變高。

在實(shí)際的反激電源產(chǎn)品中，這幾段PCB走線的長度大概在幾mm到幾十mm這個(gè)范圍，按1nH/mm粗略估算L1~L4這幾段寄生電感大概在幾nH到幾十nH這個(gè)數(shù)量級。

相對于可能達(dá)到數(shù)百uH以上的變壓器原邊勵(lì)磁電感和往往大于2%的變壓器自身漏感比例，似乎L1~L4的總電感量對實(shí)際漏感的影響是可以忽略的，但請回想一下前文的阻抗變換的方法。由于變壓器次級整流電路走線的寄生電感L4需要折算到變壓器原邊，折算方法是乘以變壓器匝比，那么在某些應(yīng)用中，L4可能對實(shí)際的等效漏感貢獻(xiàn)較大。

比如，假設(shè)某個(gè)反激電源變壓器的原邊感量為750uH，變壓器匝比20:1 ，變壓器原邊測量漏感比例2%，變壓器漏感為15uH。這個(gè)變壓器應(yīng)用于輸入電壓300VDC，輸出電壓5VDC的反激電源中，變壓器次級整流回路的引線長度8mm，寄生電感為8nH，那么這段引線寄生電感折算到變壓器原邊時(shí)，感量變?yōu)?/p>

可見這個(gè)應(yīng)用中，變壓器次級整流回路的寄生電感令等效漏感上升了約13%。在類似的高輸入電壓、低輸出電壓的應(yīng)用中，由于變壓器原副邊匝比較大，次級整流回路的引線寄生電感對原邊等效漏感的影響可能會十分顯著，這顯然會影響到功率MOSFET的電壓應(yīng)力和電源的轉(zhuǎn)換效率。

由于這個(gè)專題的主要內(nèi)容是RCD電路的分析，漏感優(yōu)化不作為重點(diǎn)內(nèi)容，就不占用過多篇幅。而由上面的分析，在這里想特別提醒的是，反激電源在PCB設(shè)計(jì)時(shí)請盡量縮短變壓器次級整流回路（變壓器引腳-整流二極管-輸出濾波電容組成的回路）的長度和包圍的面積，這對電源效率、功率元件電壓應(yīng)力、電磁兼容都有顯著影響。
編輯：hfy