一新型無(wú)損箝位電路在單端正激電源中的應用

摘要：介紹了一種新型無(wú)損箝位電路在單端正激電源中的應用, 詳細分析了工作原理，并給出了實(shí)驗結果。 敘詞：無(wú)損箝位 Abstract：Application of a new lossless clamp circuit for single ended forward converter is introduced, the operation principle of this circuit is analysed in detail,and the experiment result is also given. Keyword：lossless clamp
1 引 言

　　在各種隔離式DC/DC變換器中，單端正激式變換器是其中最簡(jiǎn)單且適合大電流輸出的一類(lèi)，因而正激式變換成為低壓大電流功率變換器的首選拓撲結構。但因其高頻開(kāi)關(guān)變壓器磁通工作在磁滯回線(xiàn)的一側，必須進(jìn)行磁復位，以確保勵磁磁通在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)處于初始值。同時(shí)由于工作在高頻狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)變壓器漏感、分布電容等寄生參數的影響不能忽略，在開(kāi)關(guān)轉換瞬時(shí)，電抗元件的能量充放致使功率器件承受很大的熱和電應力，并可導致開(kāi)關(guān)管的電壓過(guò)沖，這不僅意味著(zhù)設計人員必須選用昂貴的高耐壓功率開(kāi)關(guān)管，同時(shí)也給電源的可靠性帶來(lái)潛在威脅。為此常常還需設置各種緩沖吸收電路，但這降低了變換器的工作效率。

　　為了解決單端正激式開(kāi)關(guān)電源中的磁復位與漏感儲能問(wèn)題，傳統的解決方案有以下幾種：

　　(1)、采用輔助繞組復位電路；
　　(2)、采用RCD箝位復位電路；
　　(3)、采用有源箝位復位電路。

　　其中方案1要求輔助繞組與初級繞組必須緊耦合，實(shí)際上因漏感的存在電路中仍需外加有損吸收網(wǎng)絡(luò )，以釋放其儲能；方案2是一種有損復位箝位方式，因其損耗的大小正比于電路的開(kāi)關(guān)頻率，（和方案1中外加有損吸收網(wǎng)絡(luò )一樣）這不僅降低了電源本身的效率，也限制了電源設計頻率的提高；方案3中需要附加一復位開(kāi)關(guān)管與相關(guān)控制電路，增加了電路復雜性的同時(shí)，也帶來(lái)了附加電路損耗與總成本的上升。

　　本文介紹一種新型無(wú)損箝位電路，無(wú)須額外附加輔助開(kāi)關(guān)管，電路簡(jiǎn)單，可有效降低功率管的電壓應力，箝位效果優(yōu)異，且有利于電源工作效率的提高。

2 工作原理

　　新型無(wú)損箝位電路（圖1）與上述方案1（圖2）中采用輔助繞組的傳統方法相類(lèi)似，不同之處是增加一個(gè)箝位電容C2，但功率主回路上無(wú)需外加有損吸收網(wǎng)絡(luò )。傳統的方法是在變壓器中附加一個(gè)去磁繞組N3，它與二極管D3串聯(lián)后接到電源輸入正極，N3起到去磁復位作用，功率管S漏源間并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò )，用于吸收變壓器的初級漏感儲能，防止產(chǎn)生過(guò)電壓尖峰，保護功率管S免被擊穿，見(jiàn)圖2所示。圖1中的箝位電路由輔助箝位繞組N3、箝位二極管D3、箝位電容C2組成。輔助箝位繞組N3的與初級繞組N1相同，目的是為了實(shí)現當功率開(kāi)關(guān)管S漏源間電壓VS上升到2VI時(shí)，加在初級繞組N1上的電壓等于VI，因N1、N3匝數相等，箝位繞組N3的電壓也必然是VI，此時(shí)D3恰好正偏導通。

　　下面結合圖1與圖3具體分析新型無(wú)損箝位電路的工作原理。

　　1) T0時(shí)刻為初始狀態(tài)，設功率開(kāi)關(guān)管S處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)（B點(diǎn)電壓）VS等于VI，箝位電容C2通過(guò)初級繞組N1、箝位繞組N3被充電至VI，電容極性為左負右正。

　　2)在T1~T2期間，功率管S導通，由于箝位繞組與初級繞組電壓相同，參照圖1所示的同名端可知，VA為-VI，二極管D3反向偏置截止。在此期間，變換器實(shí)現功率的變換，能量從初級傳到次級。

　　3)在T2時(shí)刻，功率管S關(guān)斷，變壓器中的漏感與磁化儲能給功率管等寄生分布電容充電，（B點(diǎn)電壓）VS最終上升到2VI，A點(diǎn)電位也從- VI 上升為+VI ，若此時(shí)B點(diǎn)電位進(jìn)一步上升，二極管D3將正向偏置導通，功率管S漏源間的電壓VS通過(guò)電容C2和二極管D3得到有效箝位。

　　4)在T2~T3期間，反射在初級的負載電流Io下降，其下降的速率由初級與次級間的漏感決定，該電流通過(guò)箝位電容C2、箝位二極管D3回流至電源，流過(guò)電容C2的電流引起其端電壓上升（設其增量為dVS），導致B點(diǎn)電位變化為2VI+dVS。

　　5)在T3時(shí)刻，由于出現輸出二極管D1的反向恢復，反射到的初級電流Io出現負值，箝位二極管D3停止導通，因功率管S的漏源間存在輸出電容Cp，（B點(diǎn)電位）VS出現下降直到輸出二極管D1反向反射電流小于初級磁化電流并在T4時(shí)刻等于零為止。

　　6)在T4~T5期間，正在減少的正向磁化電流將引起B點(diǎn)電位VS再次向2VI上升，直到箝位二極管D3再導通，將VS箝位在比2VI稍高的電位上。