移除负载的开环反激变换器

标签: 反激 保护

现象

以固定占空比、无反馈运行的反激变换器，在测试中或因连接器松动而断开负载时，会把输出推到远高于正常值的电压。输出侧的某个器件损坏，或者一次侧钳位电路过热。

原因

每个开关周期都在励磁电感中储存能量，再把它送到输出。没有负载时，输出电容保留这些能量，输出电压逐周期升高。只有当输出电压反射到一次侧后达到钳位电压时，它才停止升高：从此改由钳位电路吸收这些能量（空载输出电压）[Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)]。此时钳位电路耗散全部输入功率。TVS 的钳位电压（clamping voltage）应按一次侧峰值电流、并按该功率使其达到的温度取值：其击穿电压（breakdown voltage）随温度升高，上限也随之升高 [STMicroelectronics 2022]。RCD 钳位电路没有固定的上限。其电压稳定在电阻恰好耗散钳位电路所吸收功率的数值上，这就是RCD 钳位电压所依据的功率平衡 [Kollman 2024]；正常工作时，这一功率仅来自漏感能量。没有负载时，这一功率是全部输入功率，因此钳位电路、输出和开关管的电压都会升到远高于带载时的值。

在钳位检查工具的示例中，12 V 的输出在无负载时会升到 16 V，这还是 TVS 升温之前的值。

如何确认

由钳位电压、匝比和二极管压降计算上限（空载输出电压），并与输出侧每个器件的额定值比较。只有当这些器件的额定值都高于该上限，开关管的额定电压高于输入电压与 TVS 在其温度下的钳位电压之和（钳位电路导通期间的开关管电压），并且一次侧钳位电路是能承受全部输入功率的 TVS 或齐纳二极管（Zener diode）时，才可在实验台上移除负载；然后观察输出向上限升高。降低输入电压会减小钳位电路吸收的功率，但上限只会通过峰值电流和 TVS 温度的变化而略微降低。

解决方法

不要让输出处于无负载状态：用反馈稳定输出电压，保留一个变换器不会失去的最小负载，或把输出钳位在其所供电器件的额定值以下。若一次侧钳位电路必须经受住空载，就按全部输入功率确定其额定值；如钳位检查所警示的，RCD 钳位电路需要旁加一个固定电压钳位，或者在空载时限制输入功率。

参考资料

• [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6 (Converter Circuits)]：反激变换器及其变压器模型，上限即由此得出。
• [STMicroelectronics 2022]：TVS 在实际电流下的钳位电压，以及其随温度升高的击穿电压。
• [Kollman 2024]：一次侧钳位电路，以及 RCD 钳位电路的电压与其损耗的关系。
• 缓冲电路与钳位电路，以及给出该上限的钳位检查。