正激有源鉗位分析

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1、有源鉗位止激變換器的理論分析和設計方法2009年07H14R17:48深圳華徳電子有限公司作者：劉耀平用戶評論（0）關鍵字：有源鉗位止激變換器的理論分析和設計方法摘要：零電壓軟開關有源鉗位正激變換器拓撲非常適合中小功率開關電源的設計。增加變壓器勵磁電流或應用磁飽和電感均能實現(xiàn)零電壓軟開關工作模式?；趯α汶妷很涢_關有源鉗位正激變換器拓撲的理論分析，提出了一套實用的優(yōu)化設計方法。實驗結果驗證了理論分析和設計方法。關鍵詞：有源鉗位；正激變換器；零電壓軟開關1引言單端正激變換器拓撲以其結構簡單、工作可靠、成本

2、低廉而被廣泛應用于獨立的離線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(yī)療設備等領域，這類電源具冇廣闊的市場需求。當今，節(jié)能和環(huán)保己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關電源的兩項重要指標。而傳統(tǒng)的單端正激拓撲，由于其磁特性工作在第一象限，并11是硬開關工作模式，決定了該電路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開關器件電壓應力高，開關損耗大;dr/df和d〃cU大,EMI問題難以處理。為了克服這些缺陷，文獻[1][2][3]捉岀了冇源鉗位正激變換

3、器拓撲，從根本上改變了單端正激變換器的運行特性，并且能夠實現(xiàn)零電壓軟開關工作模式，從而大量地減少了開關器件和變壓器的功耗，降低了和d//dt,改善了電磁兼容性。因此，冇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缺，零電壓軟開關特性也并非總能實現(xiàn)。因而，在工業(yè)應用中，對該電路進行優(yōu)化設計顯得尤為重要。木文針對有源鉗位正激變換器拓撲，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)化設計方法。2正激冇源鉗位變換器的工作原理如圖1所示，冇源鉗位正激變換器拓撲與傳統(tǒng)的

4、單端正激變換器拓撲基本相同，只是增加了輔助開關S（帶反并二極管）和儲能電容G,以及諧振電容G“、氐2,且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復電路。磁飽和電感人用來實現(xiàn)零電壓軟開關，硬開關模式用短路線替代。開關S和5工作在互補狀態(tài)。為了防止開關S和&共態(tài)導通，兩開關的驅動信號間留有一定的死區(qū)時間。下而就莫硬開關工作模式和零電壓軟開關工作模式分別進行討論。為了方便分析，假設:—KI—D2圖1采用磁飽和電感的有源鉗位止激軟開關變換器1）儲能電容G之容量足夠大以至于其上的電壓入可視為常數(shù)；2）輸出濾波電感厶足夠大以至于

5、其屮的電流紋波可忽略不計；3）變壓器可等效成一個勵磁電感厶和一個匝比為刃的理想變壓器并聯(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碩開關工作模式硬開關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，關鍵工作波形如圖2（a）所示。代?如期間主開關S導通，輔助開關2斷開。變壓器初級線圈受到輸入電壓怡的作用，勵磁電流線性增加，次級整流管導通并向負載輸出功率。囪吋刻,主開關S斷開。［力?切期間負載折算到變壓器初級的電流和勵磁電流盒給電容充電和氐放電，電壓心迅速上升。鬲時刻

6、,心上升到人,變壓器輸出電壓為零，負載電流從整流管D轉移到續(xù)流管幾。［廣2?如期間只有勵磁電流人通過厶、心、氐繼續(xù)諧振，并在鬲時刻心達到（入+険）。輔助開關S的反并二極管D2導通，勵磁電流給電容C充電并線性減小，此時，可驅動輔助開關5。［為?如期間變壓器初級線圈受到反向電壓余的作用，勵磁電流由止變負。廣4時刻,Sa斷開。［切75］期間電容氐1、Gs2與厶發(fā)生諧振,并在即寸刻電壓心下降到入，變壓器磁芯完成磁恢復。[7?才]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，必S1維持在

7、Kn，勵磁電流保持在一Zn(max)?！?/時刻，主開關S被驅動導通，下一個開關周期開始。很明顯，有源鉗位止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G“、氐2的存在，開關S和S“均能自然零電壓關斷，而且S,：能實現(xiàn)零電壓導通。但主開關管S工作在碩開關狀態(tài)。(a)碩開關工作波形(b)增加勵磁電流實現(xiàn)軟開關的工作波形(c)采用磁飽和電感實現(xiàn)軟開關的工作波形2.2圖2各種開關電路的工作波形有源鉗位止激變換器零電壓軟開關模式從上面的分析可明顯地看出，當變壓器勵磁電感人減小，勵

8、磁電流足夠大時，［盒?和］期間勵磁電流除了能提供負載電流外，剩余部分可用來幫助電容氐2、G“充放電。電壓心有可能諧振到零，從而實現(xiàn)主功率開關管S的零電壓軟開通。二極管口可為負的勵磁電流續(xù)流。關鍵工作波形如圖2(b)所示，具體的軟開關條件將在下一節(jié)中詳細討論。很顯然，軟開關的代價是變壓器勵磁電流和開關管導通電流峰值大幅增加，開關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現(xiàn)零電壓軟開關為了克服上述零電壓軟開關工作時電流應力過