有源箝位正激變換器之理論分析與設計方法

　　DC/DC鉗位正激拓撲非常適合中小功率的DC/DC變換器電源設計。本文給出了有源鉗位正激變換器的理論分析和設計方法。一臺應用于通訊設備，寬范圍輸入電壓的150W電源被設計出來(lái)，實(shí)驗結果證實(shí)了理論分析。

　　1 引言

　　單端正激變換器拓撲以其結構簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應用于獨立的離線(xiàn)式中小功率電源設計中。在計算機、通訊、工業(yè)控制、儀器儀表、醫療設備等領(lǐng)域，這類(lèi)電源具有廣闊的市場(chǎng)需求。當今，節能和環(huán)保已成為全球對耗能設備的基本要求。所以，供電單元的效率和電磁兼容性自然成為開(kāi)關(guān)電源的兩項重要指標。而傳統的單端正激拓撲，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬開(kāi)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(kāi)關(guān)器件電壓應力高，開(kāi)關(guān)損耗大；dv/dt和di/dt大，EMI問(wèn)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撲，從根本上改變了單端正激變換器的運行特性，并且能夠實(shí)現零電壓軟開(kāi)關(guān)工作模式，從而大量地減少了開(kāi)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撲迅速獲得了廣泛的應用。

　　然而，有源鉗位正激變換器并非完美無(wú)缺，零電壓軟開(kāi)關(guān)特性也并非總能實(shí)現。因而，在工業(yè)應用中，對該電路進(jìn)行優(yōu)化設計顯得尤為重要。本文針對有源鉗位正激變換器拓撲，進(jìn)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撲與傳統的單端正激變換器拓撲基本相同，只是增加了輔助開(kāi)關(guān)Sa（帶反并二極管）和儲能電容Cs，以及諧振電容Cds1、Cds2，且略去了傳統正激變換器的磁恢復電路。磁飽和電感Ls用來(lái)實(shí)現零電壓軟開(kāi)關(guān)，硬開(kāi)關(guān)模式用短路線(xiàn)替代。開(kāi)關(guān)S和Sa工作在互補狀態(tài)。為了防止開(kāi)關(guān)S和Sa共態(tài)導通，兩開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號間留有一定的死區時(shí)間。下面就其硬開(kāi)關(guān)工作模式和零電壓軟開(kāi)關(guān)工作模式分別進(jìn)行討論。為了方便分析，假設：

　　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；

　　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(gè)勵磁電感Lm和一個(gè)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）所有半導體器件為理想器件。

　　2.1 有源鉗位正激變換器硬開(kāi)關(guān)工作模式

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

　　[t0～t1]期間主開(kāi)關(guān)S導通，輔助開(kāi)關(guān)Sa斷開(kāi)。變壓器初級線(xiàn)圈受到輸入電壓Vin的作用，勵磁電流線(xiàn)性增加，次級整流管導通并向負載輸出功率。t1時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)。

　　[t1～t2]期間負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(shí)刻，Vds1上升到Vin，變壓器輸出電壓為零，負載電流從整流管D3轉移到續流管D4。

　　[t2～t3]期間只有勵磁電流im通過(guò)Lm、Cds1、Cds2繼續諧振，并在t3時(shí)刻Vds1達到(Vin＋Vcs)。輔助開(kāi)關(guān)Sa的反并二極管D2導通，勵磁電流給電容Cs充電并線(xiàn)性減小，此時(shí)，可驅動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)Sa。

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

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

　　[t5～t0′]期間次級整流管導通，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(shí)刻，主開(kāi)關(guān)S被驅動(dòng)導通，下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)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(guò)50％。由于電容Cds1、Cds2的存在，開(kāi)關(guān)S和Sa均能自然零電壓關(guān)斷，而且Sa能實(shí)現零電壓導通。但主開(kāi)關(guān)管S工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

　　2.2 有源鉗位正激變換器零電壓軟開(kāi)關(guān)模式

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

　　2.3 應用磁飽合電感器實(shí)現零電壓軟開(kāi)關(guān)

　　為了克服上述零電壓軟開(kāi)關(guān)工作時(shí)電流應力過(guò)大的缺點(diǎn)?？梢栽谧儔浩鞔渭壵鞫O管上串聯(lián)一個(gè)磁飽和電感Ls，如圖1所示。當電壓Vds1下降到Vin時(shí)，[t5～t0′]期間磁飽和電感Ls瞬時(shí)阻斷整流二極管，使得變壓器勵磁電流不必負擔負載電流，而可完全用來(lái)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(shí)現主功率開(kāi)關(guān)管的零電壓軟開(kāi)通。