有源箝位正激變換器之理論分析與設(shè)計方法

　　DC/DC鉗位正激拓?fù)浞浅＿m合中小功率的DC/DC變換器電源設(shè)計。本文給出了有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計方法。一臺應(yīng)用于通訊設(shè)備，寬范圍輸入電壓的150W電源被設(shè)計出來，實驗結(jié)果證實了理論分析。

　　1 引言

　　單端正激變換器拓?fù)湟云浣Y(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于獨立的離線式中小功率電源設(shè)計中。在計算機、通訊、工業(yè)控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，這類電源具有廣闊的市場需求。當(dāng)今，節(jié)能和環(huán)保已成為全球?qū)哪茉O(shè)備的基本要求。所以，供電單元的效率和電磁兼容性自然成為開關(guān)電源的兩項重要指標(biāo)。而傳統(tǒng)的單端正激拓?fù)?，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬開關(guān)工作模式，決定了該電路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開關(guān)器件電壓應(yīng)力高，開關(guān)損耗大；dv/dt和di/dt大，EMI問題難以處理。

　　為了克服這些缺陷，文獻[1][2][3]提出了有源鉗位正激變換器拓?fù)?，從根本上改變了單端正激變換器的運行特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作模式，從而大量地減少了開關(guān)器件和變壓器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了電磁兼容性。因此，有源鉗位正激變換器拓?fù)溲杆佾@得了廣泛的應(yīng)用。

　　然而，有源鉗位正激變換器并非完美無缺，零電壓軟開關(guān)特性也并非總能實現(xiàn)。因而，在工業(yè)應(yīng)用中，對該電路進行優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。本文針對有源鉗位正激變換器拓?fù)?，進行了詳細的理論分析，指出了該電路的局限性，并給出了一種優(yōu)化設(shè)計方法。

　　2 正激有源鉗位變換器的工作原理

　　如圖1所示，有源鉗位正激變換器拓?fù)渑c傳統(tǒng)的單端正激變換器拓?fù)浠鞠嗤?，只是增加了輔助開關(guān)Sa（帶反并二極管）和儲能電容Cs，以及諧振電容Cds1、Cds2，且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復(fù)電路。磁飽和電感Ls用來實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，硬開關(guān)模式用短路線替代。開關(guān)S和Sa工作在互補狀態(tài)。為了防止開關(guān)S和Sa共態(tài)導(dǎo)通，兩開關(guān)的驅(qū)動信號間留有一定的死區(qū)時間。下面就其硬開關(guān)工作模式和零電壓軟開關(guān)工作模式分別進行討論。為了方便分析，假設(shè)：

　　1）儲能電容Cs之容量足夠大以至于其上的電壓Vcs可視為常數(shù)；

　　2）輸出濾波電感Lo足夠大以至于其中的電流紋波可忽略不計；

　　3）變壓器可等效成一個勵磁電感Lm和一個匝比為n的理想變壓器并聯(lián)，并且初次級漏感可忽略不計；

　　4）所有半導(dǎo)體器件為理想器件。

　　2.1 有源鉗位正激變換器硬開關(guān)工作模式

　　硬開關(guān)的有源鉗位正激變換器工作狀態(tài)可分為6個工作區(qū)間，關(guān)鍵工作波形如圖2(a)所示。

　　[t0～t1]期間主開關(guān)S導(dǎo)通，輔助開關(guān)Sa斷開。變壓器初級線圈受到輸入電壓Vin的作用，勵磁電流線性增加，次級整流管導(dǎo)通并向負(fù)載輸出功率。t1時刻，主開關(guān)S斷開。

　　[t1～t2]期間負(fù)載折算到變壓器初級的電流Io＊和勵磁電流im給電容Cds1充電和Cds2放電，電壓Vds1迅速上升。t2時刻，Vds1上升到Vin，變壓器輸出電壓為零，負(fù)載電流從整流管D3轉(zhuǎn)移到續(xù)流管D4。

　　[t2～t3]期間只有勵磁電流im通過Lm、Cds1、Cds2繼續(xù)諧振，并在t3時刻Vds1達到(Vin＋Vcs)。輔助開關(guān)Sa的反并二極管D2導(dǎo)通，勵磁電流給電容Cs充電并線性減小，此時，可驅(qū)動輔助開關(guān)Sa。

　　[t3～t4]期間變壓器初級線圈受到反向電壓Vcs的作用，勵磁電流由正變負(fù)。t4時刻，Sa斷開。

　　[t4～t5]期間電容Cds1、Cds2與Lm發(fā)生諧振，并在t5時刻電壓Vds1下降到Vin，變壓器磁芯完成磁恢復(fù)。

　　[t5～t0′]期間次級整流管導(dǎo)通，變壓器次級繞組短路，給勵磁電流提供了通道。在此期間，Vds1維持在Vin，勵磁電流保持在－Im(max)。t0′時刻，主開關(guān)S被驅(qū)動導(dǎo)通，下一個開關(guān)周期開始。

　　很明顯，有源鉗位正激變換器的變壓器磁芯工作在一、三象限，變換器工作占空比可超過50％。由于電容Cds1、Cds2的存在，開關(guān)S和Sa均能自然零電壓關(guān)斷，而且Sa能實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。但主開關(guān)管S工作在硬開關(guān)狀態(tài)。

　　2.2 有源鉗位正激變換器零電壓軟開關(guān)模式

　　從上面的分析可明顯地看出，當(dāng)變壓器勵磁電感Lm減小，勵磁電流足夠大時，[t5～t0′]期間勵磁電流除了能提供負(fù)載電流外，剩余部分可用來幫助電容Cds2、Cds1充放電。電壓Vds1有可能諧振到零，從而實現(xiàn)主功率開關(guān)管S的零電壓軟開通。二極管D1可為負(fù)的勵磁電流續(xù)流。關(guān)鍵工作波形如圖2（b）所示，具體的軟開關(guān)條件將在下一節(jié)中詳細討論。很顯然，軟開關(guān)的代價是變壓器勵磁電流和開關(guān)管導(dǎo)通電流峰值大幅增加，開關(guān)管及變壓器電流應(yīng)力和通態(tài)損耗明顯加大。

　　2.3 應(yīng)用磁飽合電感器實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)

　　為了克服上述零電壓軟開關(guān)工作時電流應(yīng)力過大的缺點?？梢栽谧儔浩鞔渭壵鞫O管上串聯(lián)一個磁飽和電感Ls，如圖1所示。當(dāng)電壓Vds1下降到Vin時，[t5～t0′]期間磁飽和電感Ls瞬時阻斷整流二極管，使得變壓器勵磁電流不必負(fù)擔(dān)負(fù)載電流，而可完全用來給電容Cds2、Cds1充放電。這樣，不必大量減小變壓器勵磁電感，較小的勵磁電流就可以保證電壓Vds1諧振到零，實現(xiàn)主功率開關(guān)管的零電壓軟開通。