[工程科技]有源嵌位正激变换器.doc

（输入章及标题）燕山大学 毕业设计（论文） 一种有源箝位正激变换器的设计 学院（系）里仁学院年级专业 04级电气工程及其自动化学生姓名 王巍 指导教师 沈虹 答辩日期 2008年6月22日III燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程及其自动化 学号041203032007学生姓名王巍专 业班 级里仁应用电子04-3课题题 目一种有源箝位正激变换器的设计来 源自选主要内容1、 掌握正激变换器的工作原理2、 比较复位绕组法RCD箝位法以及有源箝位等复位技术的优缺点3、 分析带有有源箝位电路的正激变换器工作过程4、 分析软开关实现的条件5、 系统主电路控制电路分析及参数设计6、 系统闭环仿真研究，分析系统的稳定性和动态响应基本要求输入直流电压：48V输出直流电压：200V输出功率：100W开关频率：20KHZ输出电压文波：小于5参考资料1、 电力电子技术2、 电力电子技术期刊3、 IEEE on Power Electronics4、 IEEE on Industry Application5、 电工技术学报 电工技术杂志 电气传动 电气自动化等周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅资料学习理论知识。了解题目概况，工作原理及系统结构完成主电路和控制电路方案选择，对所设计的系统进行理论分析系统参数设计及仿真研究系统仿真试验研究整理实验数据并撰写论文指导教师：沈虹系级教单位审批：说明：如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。本任务书一式二份，教师、学生各执一份。 摘要摘 要当前，正激变换器在中小功率场合应用扮演着越来越重要的角色。尽管传统的单端正激变换器有诸多优点，如电路结构简单，元件数量少，输出纹波小等，但是也有其缺点。首先，晶体管的工作方式为硬开关，这就导致了难以提高开关频率。其次，需要磁复位电路，且磁芯只工作在第一象限。目前，开关电源的发展方向为高频率、高功率密度和高效率。很显然，传统的单端正激变换器很难适应这一发展趋势，因此，必须找到一种新型的拓扑结构。有源箝位ZVS-PWM正激变换器可以适于这种发展趋势，因为它具有软开关和磁芯自动复位功能。本文详细分析了有源箝位正激变换器的工作原理，通过对软开关等技术的研究，完成了有源箝位正激变换器的设计，推到了主要原件的设计公式，包括箝位电容，输出滤波器等。最后，应用Pspice软件对有源箝位正激变换器进行了仿真，并将仿真参数用于优化设计，分析证明了有源箝位正激变换器理论的正确性及有源箝位正激变换器的优越性。关键词有源箝位 正激变换器 软开关 IIIAbstractNowadays, the forward converter plays a more and more important role in low and middle power application. But, despite its merits, the traditional single-ended forward converter has some shortcomings, such as simple circuit, low parts count, low output, low output ripple, etc, it also has some shortcomings. Firstly, the working mode of transistor is hard switch, which cause the difficulty to improve the switching frequency. Secondly, it needs a magnetic reset circuit and the magnetic core only works in No. l quadrant. The development trend of the Switching Mode Power Supply (SMPS) is soft switching with high frequency, high power density and high efficiency. It is clear that the traditional single-ended forward converter is difficult to adapt to the trend, so, it is necessary to find a novel topology. The active clamp ZVS-PWM forward converter has been answered for with the merits of the soft switch t technique and the magnetic reset technique.In this paper, the principle of the operation of the active clamp ZVS-PWM forward converter is analyzed, including the effect of the clamp voltage. Then, according to the study of the soft-switching, the design of the active clamp ZVS-PWM converter is achieved Lastly, Pspice simulation of the active clamp ZVS-PWM forward converter was achieved, and the simulation parameters were used to optimize the design. The validity of the theoretical and the superiority of the converter was analysis.Keywordsactive-clamps forward converter soft switching目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 开关电源电路拓扑2 1.3 软开关PWM技术4 1.4 本文所研究的主要内容7第2章 有源箝位正激变换器72.1 磁复位技术7 2.1.1 磁复位技术比较 8 2.1.2 有源箝位正激变换器的优点13 2.1.3 三种结果的比较13 2.2 传统的单端正激变换器14 2.2.1 工作原理15 2.3 有源箝位正激变换器17 2.3.1 基本工作原理 18 第3章 有源箝位正激变换器的设计233.1 主电路原件选择及参数设计23 3.1.1 功率开关的选择23 3.1.2 箝位电容的设计23 3.1.3 功率变压器设计25 3.1.4 输出滤波电路设计26 3.1.5 输出二极管选择26 3.1.6 主开关机辅助开关实现条件设计27 3.2 控制电路设计 30第4章 仿真分析33 4.1 开环仿真 33 4.2 闭环仿真 34结论35参考文献36致谢38附录一39附录二44附录三49目录的页码重新整理一遍第一章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景近年来，电力电子装置在国民经济各个领域的应用日趋广泛，电力电子技术已成为工程技术领域的关键技术之一。在电力电子技术中，效率更高、体积更小、电磁污染更少、可靠性史高的开关电源一直是这个领域的一个重要发展方向，由此开拓出诸如高频磁技术、软开关技术、电磁兼容技术、功率因数校正技术等一系列具有实际意义的研究领域。开关电源是电力电子技术应用的一个重要领域1。由于体积小、重量轻、变换效率高的优点，广泛应用于计算机、通信设备、控制装置及家用电器等电子设备中。电力电子器件、控制技术、变流技术不断发展，又促进了开关电源性能日趋优化。中小功率领域应用中开关电源的发展方向是：高效、可靠、低成本、体积更小、重量更轻。而由于正激DC/DC变换器具有电路拓扑简单，输人输出电气隔离，电压升、降范围宽，易于多路输出等优点，因此被广泛应用于中小功率电源变换场合2。然而，正激变换器的一个固有缺点是需要附加电路实现变压器磁复位。采用磁复位绕组正激变换器川的优点是技术成熟可靠，磁化能量无损地回馈到直流电网中去。但附加的磁复位绕组使变压器结构复杂化，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制，占空比d0. 5。当开关频率大于30 kHz时，过大的谐振电流增加了功率开关的导通损耗，因而通常应用在开关频率为20 kHz的场合。采用有源箝位支路实现正激变换器变压器磁复位，比上述3种传统的方法优越，主辅开关均可实现零电压通断，这正是零电压ZVS-PWM技术在正激变换器中的具体应用2。作为能量转换环节的开关电源变换器根据电能转换形式的不同，可以分为交流/直流变换器、直流/直流变换器、直流/交流变换器、交流/交流变换器等。目前世界上电源产品中DC/DC部分己经成为最主要、最核心的部分。通信设备、电脑设备的供电大多数是直流电压供电。而照明虽然还是以交流电压供电为主，但是随着LED(low emitting diode)技术(主要是白光合成技术)的发展以及应用领域的扩展，直流电压供电的产品额会逐渐扩大。在现代社会，分布式电源系统在通信设备电源和计算机服务器电源中获得越来越广泛得应用. Intel、IBM等公司于2000年共同提出了下一代计算机服务器系统结构分布供电系统的标准规范DPS2.0，其目的是为了在下一代的计算机服务器中规范统一采用48V直流母线的分布式供电系统3。所以 ，DC/DC变换技术是开关电源技术的一个重点，也是开关电源技术发展的基础。DC/DC变换技术伴随着开关电源技术的发展而不断发展，对其进行研究有着及其重要的意义。1.2 开关电源电路拓扑DC/DC变换器的分类方法有很多，以是否电气隔离来分类，DC/DC变换器分为带隔离变压器和不带隔离变压器两大类。不带隔离变压器的DC/DC变换器主要有Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变器等六种。非隔离型电路输入和输出不隔离，它们比隔离型电路结构简单、成本低，但多数应用需要开关电源的输出端与输入端隔离，或需要多路相互隔离的输出，所以隔离型电路的应用较广泛。而非隔离型电路也有不少应用，如开关稳压器、直流斩波器等3。下图给出四种常见的非隔离型电路拓扑。（a）BUCK变换器（b）CUK变换器（c）BOOST变换器 （d）BUCK-BOOST变换器图 1-1 常见DC/DC变换拓扑随着DC/DC变换技术的发展，软开关、谐振变换技术的应用下，DC/DC变换电路的工作方式，从最初的硬开关PWM方式，软开关PWM方式方向发展。每一种拓扑结构都有其优点和不足，往往适用于某一电路或应用场合。其中正激变换器和反激变换器结构简单，驱动电路易于设计，成本低，缺点是磁芯利用率低，适用于小功率场合。推挽变换器驱动电路容易实现，磁芯利用率高，且能够自动抑制偏磁，缺点是开关管电压应力大，适用于输入电压较低的中小功率场合。半桥变换器和全桥变换器电路复杂，驱动电路设计比牧困难，一般用于中大功率场合4。单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。当今，节能和环保己成为全球对耗能设备的基本要求4。所以，供电单元的效率和电磁兼容性自然成为开关电源的两项重要指标。而传统的单端正激拓扑，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬开关工作模式，决定了该电路存在一些固有的缺陷:变压器体积大，损耗大;开关器件电压应力高，开关损耗大;dy/dt和di/dt大，EMI问题难以处理。随着各种软开关技术比如有源箝位软开关技术、定频谐振软开关技术等在单端正激型变换器中的成功应用，解决了一般正激变换器变压器利用率低、高频损耗大的缺点，使得正激型变换器的应用场合更加广阔，尤其在需要低电压大电流输出的各种微处理器、IC芯片和数字信号处理器中，正激型变换器被认为是最合适的拓扑之一。与单端正激变换器相比，有源箱位ZVS-PWM正激变换器更具有实用价值。首先，该拓扑能够实现零电压软开关工作模式，从而大量地减少了开关器件和变压器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了电磁兼容性，开关管可以工作在很高的开关频率下;其次，变压器磁芯工作在一、三象限，从而提高了磁芯的利用率:此外，可以为其它技术的顺利实施创造良好的外部环境，允当技术平台。然而，有源箝位正激变换器并非完美无缺，零电压软开关特性也并非总能实现。因而，在工业应用中，对该电路进行优化设计显得尤为重要5。因此，在当前电子设备对电源的效率、体积要求越来越高的情况下，对有源箱位ZVS-PWM正激变换器进行深入研究是非常有意义的。1.3 软开关PWM技术随着电力电子技术的发展，功率变换器在开关电源、电机驱动控制、高频感应加热、焊接电源、电网的无功补偿和谐波治理等众多领域得到日益广泛的应用。电力电子技术的发展趋势是高频化，可使功率变换器的体积大大减小，重量大大减轻，从而节省了原材料并提高了性能价格比。但是，传统PWM变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关工作的四大缺陷妨碍了开关器件工作频率的提高：(1)开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。(2)感性关断问题：电路中难免存在感性元件(引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感)，当开关器件关断时，由于通过该感性元件di/dt很大，感应出很高的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。(3)容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏。(4)二极管反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流。轻则引起该开关器件和二极管功耗急剧增加，重则致其损坏。因而，减少开关损耗、提高开关频率成为目前电力电子技术的前沿课题。减少开关损耗有两个途径：一是提高功率开关器件本身的开关性能，使其开关损耗减少。但这有赖于整个电子工业技术水平的提高:其次从变换器结构和控制上改善功率开关器件的开关性能，为此人们提出了许多相应的技术，如无损缓冲技术、软开关技术等。实践证明，软开关技术在减少功率开关器件的开关损耗方而效果，最好理论上可使开关损耗减少为零，因此，有人把软开关技术称之为零损耗开关技术。软开关技术的基本思想是在常规PWM变换器的拓扑基础上，附加一个谐振网络，谐振网络一般由谐振电感、谐振电容和功率开关组成6,7。开关转换时，谐振网络工作使电力电子器件在开关点上实现软开关过积，谐振过程极短，不影响PWM技术的实现。从而既保持了PWM技术的特点，又实现了软开关技术，使软开关PWM变换器成为目前最具发展和应用前景的变换器。软开关技术自问世以来，经过不断的发展和完善，前后出现了许多种软开关电路，主要有以下几类：1.准谐振变换器和多谐振变换器性20世纪80年代初，美国的李泽元教授等研究人员提出了谐振开关，即在基本PWM开关上增加一些谐振元件，它也是准谐振变换器中最关键的部分。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同结合，谐振开关可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关两类。零电流谐振开关是将谐振电感与PWM开关串联，利用电感中谐振电流过零点时，使开关零电流关断；零电压谐振开关是将谐振电容与PWM开关并联，利用电容两端谐振电压过零点时，使开关零电压开通。由于运行中，变换器工作在谐振模式的时间只占一个开关周期中的一部分，其余时间都是运行在非谐振模式，所以称之为准谐振变换器，相应的“谐振开关”称为准谐振开关。谐振开关实现了软开通或关断，减少了开关损耗，但其开关器件的通态电流或断态电压应力大。因为开关器件工作频率不恒定，为保持输出电压在各种条件下基本不变，必须采用变频控制方法，然而这种控制方式比PWM变换器复杂，而且变压器、电感等磁性元件要按最低频率设计，实现最优设计困难。因此，谐振开关一般应用在小功率低电压而且对体积和重量要求十分严格的场合，比如宇航电源和程控交换机的模块等。此外，根据谐振软开关技术原理，人们还提出过在PWM开关内综合准谐振零电流和准诺振零电压的多谐振开关，它一般能实现开关管的零电压开关，但还是只能采用频率控制方法。实际常常用零电压、多谐振变换器，主要是因为它吸收了开关管的结电容，同时实现了开关管和整流二极管的电压开关，而且它的开关管的电压应力与零电压准谐振相比要小得多。2.开关PWM变换器零开关PWM变换器是PWM电路与QRC电路的结合，它既可以通过谐振像QRC电路一样为主功率开关管创造零电压或零电流开关条件，又可以使电路像常规的PWM电路一样，通过恒频占空比调制来调节输出电压。零开关PWM变换器包括零电压开关和零电流开关变换器，它们是在准谐振软开关的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现PWM控制。它只利用谐振实现换相，换相完毕后仍采用PWM工作方式，从而既能克服硬开关PWM在开关过程中缺陷，又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。但是 ，零开关PWM变换器的谐振电感都串联在主电路中，当谐振电感与谐振电容谐振实现软开关条件时，在半导体设备上会产生附加的电压应力，而且由于电能都通过谐振电感，因此会产生循环能量，增大导电损耗。此外，储存在谐振电感内的能量对电源电压和负载电流有很强的依赖性，因此零开关条件对电源电压和负载电流的变化敏感，在轻载时可能失去零开关条件，从而限制了软开关工作范围。有人提出了一种新颖的混合式全桥PWM变换器，它不仅能在不增加导通损耗的情况下实现空载下ZVS条件，而且能使输入输出的滤波波形几乎为理想的，从而减少了输入输出的滤波装置。3.转换PWM变换器零转换PWM变换器包括零电压转换和零电流转换变换器，其谐振网络是与主开关并联的。在开关转换期间，并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后，电路又恢复到正常的PWM工作方式。因此，零转换PWM变换器既克服了硬开关PWM和谐振技术的缺点，又综合了它们的优点。为此，此类变换器在中大功率场合得到广泛应用，并具有如下优点:（1）采用PWM控制方式，实现恒定频率控制；（2）辅助电路只是在开关管开关时工作，其他时间不工作，而且是与主功率；回路相并联，不需要处理很大的环流能量，从而减小了电路的导通损耗；（3）辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力；（4）电路可以在很宽的输入电压和输出负载变换范围内在软开关条件下工作。但是，这种变换器所需要的元器件数量成倍增加，大大增加了成本和控制难度，而且辅助开关的电流应力大。现在的软开关变换器技术无一例外的应用了谐振原理，电路中存在串联或并联的谐振网络。谐振网络在电路中的存在必然会产生谐振损耗，并使电路受固有问题的影响，限制了软开关变换器技术的应用，同时使变换器的分析和设计变得较为复杂，谐振电流和电压也给开关造成较大的应力。目前国内外许多科研人员在研究能否实现以及如何实现无谐振网络的软开关变换器技术，并已取得了一些进展。可以预言，无谐振网络的软开关变换器是软开关变换器技术的发展趋势。1.4 本文研究的主要内容正激变换器具有电路简单、输入输出电压隔离、成本低、可靠性高、驱动电路简单、容易实现多路输出等优点，因此在中小功率开关电源产品中得到了广泛的应用。但由于正激变换器具有变压器单向励磁，利用率低，开关管电压应力高，开关管工作在硬开关条件下，开关损耗大等缺点，在一些应用场合受到限制。有源箝位磁复位技术有着磁芯工作在第一、三象限，可工作占空比高，原边开关工作电压低，有利于实现软开关等优点，从而解决了变压器利用率低，效率低的缺点，因此在要求低电压大电流输出的场合应用广泛，对有源箝位正激变换器的研究具有实际的工程意义。控制方式采用了单周控制技术，有效的消除电源纹波干扰和开关误差，控制方法简单、可靠、外围电路简单。本文主要内容如下:第一章绪论，对变换技术和软开关PWM技术现状和发展进行了介绍。阐述了本文采用的有源箝位正激变换器技术的合理性及意义。第二章介绍了传统的单端正激变换器优缺点，对本文所采用的有源箝位正激变换器的工作原理进行详细分析。第三章是有源箱位正激变换器的设计，包括主电路、控制电路和驱动电路的设计，以及参数选择原则。第四章为仿真总结，对仿真结果和仿真波形进行分析7燕山大学本科生毕业设计（论文）第2章 有源箝位正激变换器2.1 磁复位技术由于正激变换器是在“正程”工作，所以只要解决了开关断开期间的变压器磁能的转移问题，变压器此话电流连续与否都不会影响变换器的工作。但是在正激变换器中占空比D的最大值将受到一定的限制。这是因为为了保证变换器能够正常工作，变压器的磁芯不能饱和。这意味着必须外加电路使得每个周期结束时变压器磁芯的磁通必须恢复到上一周期开始时的数值（严格的讲开始时的数值不为零），即所谓的磁复位(Magnetic Reset)。如果一个周期结束后的剩余磁通大于上一周期开始时的磁通，则剩余磁通会随着周期性不断的累积最后导致了变压器的磁芯饱和。显然这种情况是不允许的。在正激变换器中，绕组流过的是单项脉动的激磁电流，如果没有每个周期都作用的去磁环节，剩余磁通就可能会累积导致变压器的磁通饱和。应此必须设法使变压器磁芯的磁通恢复到上一周期开始时的数值。这一要求称为变压器的磁复位条件，这也是正激变换器正常工作的前提。使变压器的磁通恢复到周期开始时数值的技术措施称为磁复位技术8。剩余磁通的本质是有能量残存于磁芯中，去磁复位的中心任务就是妥善处理这部分能量。具体的磁复位电路一般可分为两类：一类是通过外加能量的方法强迫磁芯复位即所谓的强迫法;另一类是把磁芯的能量反馈到输入或输出端，或者在复位电路中消耗掉即所谓的疏导法。第一类主要用于高剩磁的磁芯材料，如无气隙的晶粒取向镍铁合金铁芯。其B-H曲线如图2-1所示。图21 无磁复位时的B-H曲线具体有以下几个方案，其一是采用恒磁体强迫去磁复位，其二是增加一个带强迫去磁恒流源的附加绕组9。这两种方法不但造价高而且效率低，很少采用;较为实用的是把输出端的滤波电感作为附加去磁绕组的恒流源线圈，去磁复位方案如图2-2所示。图22 强迫去磁复位电路(a) (b)图23 高Br和低Br的磁芯材料B-H曲线对于第二类方法适用于低剩磁(Br)的磁材料如铁氧体，非晶合金磁芯等如图23(b)。具体的磁复位方案相当多，仅讨论几种常用的磁复位技术及其相应的变换器拓扑10。2.1.1 磁复位技术比较（1）磁复位绕组法正激变换器(a) 磁复位绕组法正激变换器电路图(b)原理波形图24 磁复位绕组法正激变换器电路图及原理波形磁复位绕组法正激变换器就是在变压器原边绕组与功率开关组成的支路旁并联一个磁复位绕组11，如图24(a)所示。其基本的工作原理是在功率开关T关断期间。将变压器的磁化能量通过复位绕组N3回馈到电网中去。磁恢复时间应小于功率开关的关断时间，其原理波形如图24(b)所示磁复位绕组法正激变换器在传统的正激变换器中应用最广。其工作原理如下：Vm截止后，对Cs充电至VDS (1+N1/N3)VIN，D3开始导通，磁芯磁化能量是通过回馈绕组N3，回馈到电源中去。磁复位绕组法作为长期延用的传统磁复位技术，其优点是磁化能量可无损回馈电网中去，并且技术较为成熟可靠，但也有不少缺陷。首先变换器工作在硬开关状态，一般需要缓冲电路，降低了变换器效率和可靠性，而磁复位绕组又使得变压器结构和设计复杂化，增加了工期和成本。另外，出于工程设计和变换器性能的优化考虑，一般取N1 =N3 ，。由伏秒平衡原理： 即有TonToff；D0.5，一方面当VIN=VInmax时，占空比D=Dmin很小，不易于大功率输出11；另一方面，当VIN=VInmax且P0=P0max时，很可能要求Dmax0.5，即变换器不能胜任宽输入电压工作条件，当然N1/N3也可以大于1，但其值愈大VDS愈高，必须采用高压功率开关，势必增加通态损耗，同时增加缓冲电路的损耗。（2）RCD箝位正激变换器RCD箝位正激变换器，如图2-5所示为电路图和波形图，其工作原理如下：t1时Vm关断，Cs线性充电；t2时D1 、D2换路，从磁化电流初始值Im开始，Cs与Lm谐振，开始磁复位；t3时Dc导通，Lm与Cc谐振，磁化能量全部转移到Cs和Cc上；t4时磁化电流im反相，Dc截止，又开始Cs与Lm谐振，Cs中磁化能量部分回馈电源，其余消耗在Vm中，Cc中磁化能量在Dc截止后消耗在电阻Rc中12。(a)(b)图25 RCD正激变换器及原理波形从上面的分析可得出，其磁复位原理是通过箝位电容Cc吸收绝大部分磁化能量，最后消耗在箝位电阻中，Cc相当大，可等效于电压源，在有效地对开关电压箝位的同时实现了磁复位13,14。这种变换器最显著的优点是构造简单，成本低廉，目前被广泛应用于小功率廉价电源中，然而其磁复位方式为耗能式，并且工作在硬开关下，不但效率低下，可靠性不高，不利于高频化，小型化，且其它性能上的缺陷较多，随着对电源性能要求的不断提高，其应用空间将愈来愈小。RCD箝位法与磁复位绕组法相比，具有以下优点：(1)磁复位电路结构简单，为一简单的无源网络；(2)功率开关承受的电压较低；(3)占空比0可大于05，适用于宽输入电压场合。它的缺点是大部分磁化能量消耗在箝位电阻中，因此，RCD箝位正激变换器广泛适用于价廉、效率要求不高的功率变换场合。最后需要指出的是回授绕组法正激变换器磁芯工作在B-H曲线的一侧，而RCD正激变换器基本也工作在B-H曲线一象限，未能实现双向对称磁化，磁芯利用率低，铜损大，同时增大整机重量，因而期望一种把磁复位技术与ZCT (ZVT)PWM软开关技术有机结合起来的变换器，既能使磁芯在双向磁化状态下完成磁复位，又在最有利的条件下实现软开关，这样就导致各种零电压过渡PWM正激变换器的产生14,15。2.1.2 有源箝位正激变换器的优点关于有源箝位正激变换器将在下一章节进行详细分析和设计，在此不再赘述。简单的说，有源箝位正激变换器就是利用辅助的箝位开关为变压器的磁化能量提供回馈通路来代替无源的RCD箝位电路。这种有源箝位的磁复位方法主要具有以下优点：(1)变压器的磁化能量和漏感能量可重复利用，提高了电路的工作效率；(2)变压器铁芯工作在一、三象限双向对称磁化状态，铁芯利用率高；(3)占空比D可大于0.5；(4)可实现ZVS-PWM工作方式，使工作效率得到进一步提高15。但增加的箝位开关增加了驱动电路的复杂程度与变换器成本。2.1.3 三种方法的结果比较实验结果证明，对于以上三种正激变换器的磁复位方法，采用有源箝位法时变换器的工作效率最高，采用RCD箝位法时效率最低，采用磁复位绕组法时介于两者之间。有源箝位法虽然成本较高，但由于其有变换效率高，铁芯双向对称磁化，且可以实现功率开关的ZVS开通等优点，是一种较好的正激变换器磁复位技术。图26 三种磁复位技术正激变换器效率曲线2.2 传统的单端正激变换器在开关电源变换电路中，单端正激变换器是最简单的隔离式DC/DC变换器，它是基本的降压型Buck变换器加隔离变压器派生出来的，具有降压型变换器的基本特性，即在输入电压最小和负载最大时，开关占空比有最大值。随着输入电压的增加，原边主开关的占空比D会减小。有较大占空比时，开关电流的峰值会较小，由给定开关所控制的功率将更大。变压器的引入，不仅实现了电源侧与负载侧之间的电气隔离，也使得该变换器的输出电压可以高于电源电压，或低于电源电压，还可以实现多路输出。正激变换器和Buck变换器一样，也可以在电感电流断续条件下工作，这时副边整流二极管反向恢复条件改善，也改善了开关管的开通条件。单端正激变换器由于其具有电路拓扑结构简单、控制方便、工作可靠性高、性能价格比较高等优点，因而广泛应用于中小功率变换场合。在高功率，低压大电流电源模块技术发展日益迅速的今天，其拓扑形式也越来越受到关注。传统的单端正激变换器如图2-7所示。由图可以看出，正激变换器实际上是在BUCK变换器中插入隔离变压器而成，与反激变换器相比，副边增加了输出滤波电感L和续流二极管D。在工作原理上，正激变换器与反激变换器有着本质的区别，其变压器不再起电感作用，而是一个完全意义上的变压器，只起输入输出隔离和电压变换的作用，只储存变压器激磁所需的少量能量。当开关管S开通时，变换器通过副边整流二级管D1向负载提供能量，当S关断时，变换器副边由输出滤波电感L的储能通过续流二级管DZ向负载提供能量。图2-7传统的单端正激变换器单端正激变换器因其独特的优点在中小功率变换场合中得到了广泛的应用。然而它也存在一些固有的缺陷，主要是：正激变换器的变压器励磁电感磁通在每个开关周期必须复位，以保持其伏秒平衡和防止铁芯饱和而避免开关器件损坏；正激变换器的开关管工作在硬开关状态下；开关管的电压应力大。在正激变换器中磁性器件工作在磁化曲线的第一象限，容易引起铁芯饱和，所以在每个开关周期就必须用附加的电路来转移励磁电感中的能量，即采用去磁复位措施，使变压器的铁芯磁复位。磁复位方法有复位绕组复位、RCD复位、以及有源箝位复位等。它们各有优缺点。复位绕组复位法的优点是技术成熟可靠，变压器磁化能量和部分漏感能量可以反馈到电网中;动态时主开关管上无过冲电压。但存在三个主要的缺点:1)附加的磁复位绕组使得变压器的结构复杂；2)开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制；3)箱位电压和输入电压成正比，则开关管电压应力和输入电压成正比，不适合应用在宽范围输入场合。RCD箱位复位正激变换器与复位绕组复位法相比具有磁复位电路简单、占空比可大于0.5、适用于较宽范围变化的输入电压场合等优点。但是变压器大部分磁化能量消耗在箝位电阻中，因此，它适合应用在廉价，效率要求小高的功率变换器中15,16。2.2.1 传统的单端正激变换器工作原理正激变换器电路如图2-7所示，它是由BUCK变换器加上隔离变换器后得到的，因此其实质上是一个带隔离变换器的BUCK变换器。当开关管Q1导通时。输入电压全部加在变压器原边绕组上，副方绕组上的感应电压使得D1导通，并将输入电流的能量传给电感L和电容C及负载，此时电感L储存能量。与此同时，变压器原方绕组中建立其磁化电流，当Q1截止时，D1也截止，电感L上的电压极性反转，并通过续流二极管D2继续向负载供电。假设变压器一次绕组的激磁电感为，绕组匝比为,变压器漏感为零。输出电压恒定。变压器在这里只起一个单纯变压的作用，因此可以利用等效电路分析，并将副方折算到原方来计算。其中： 当开关管导通时，等效负载回路的电流为： (2-1) (2-2) 当开关管导通时，副方的整流二极管导通，中的负载电流最少值为。 代入后得到： (2-3)还原到副方，有： （2-4） （2-5）当开关管截止时，= （2-6）此时，副方续流二极管导通,这时电感电流为: （2-7）稳态运行条件下，当t=，即时，可以得到： （2-8） 可以得到： （2-9） D称为占空比，从式子2-9可以看出，只要调节D的大小，就可以方便调节输出电压。2.3有源箝位正激变换器单端正激变换器由于变压器磁芯工作在第一象限，故必须附加磁复位电路。有源箝位电路与正激变换器组合就构成了有源箝位ZVS-PWM 正激变换器。有源箝位ZVS-PWM正激变换器电路如图2-8所示。有源箱位电路由箝位开关(功率MOSFET)和箝位电容组成，并联在主开关和变换器的变压器两端，利用箝位电容和MOSFET输出电容及变压器绕组电感谐振，创造主开关ZVS(零电压开通)的条件，并且在主开关关断期间，由箝位电容的电压将主开关两端电压箝位在一定水平数值上，从而避免了开关上过大的电压应力。这种技术非常适合用于正激变换器，因为在正激变换器中利用有源箝位，可实现变压器磁芯磁通自动复位，无需另加复位措施，而且可以使激磁电流沿正负方向流通，使磁芯工作在一、三象限，从而提高磁芯的利用率17。图2-8 有源箝位正激变换器拓扑2.3.1基本工作原理有源箝位正激变换器如图2-9(a)所示，为了简化分析过程，作以下假设：(1)电路中的电感、电容、二极管均为理想元器件；(2)输出滤波电感足够大，以至于可将其等效为一恒流源I0；(3)将变压器等效为激磁电感Lm与一理想变压器原边并联忽略其漏感；(4)主开关T1只考虑其寄生输出电容Cds，忽略其他寄生参数；(5)对箝位开关T2，只考虑寄生反并联二极管Dc：，忽略其他寄生参数。根据以上假设，可得到图(b)所示的等效原理图17,18。(a)有源箝位正激变换器(b) 有源箝位正激变换器等效电路图(c)工作波形图2-9有源箝位正激变换器及原理波形Ui：输入直流T1、T2：功率主、辅开关N1、N2：变压器原边、副边绕组Lm：变压器励磁电感C1：箝位电容UG、UGSc：主、辅开关驱动信号1、2:辅、主开关驭动信号延迟时间L：饱和电抗器Lf、Cf：输出滤波电感，滤波电容R：等效负载im：励磁电流Uc：箝位电压Uds：主功率开关漏源电压N：变压器变比当输出电感Lf工作在电流连续模式时分七个阶段分析其工作过程。（1）t0t1 向副边传输能量阶段tt0时刻使T1导通，T2处于关断状态，则D1导通，变压器原边向副边传输能量，同时激磁电感Lm上的电流以斜率UiLm线性上升。等效电路如图2-10(a)所示。（2）t1t2 Cds充电阶段 tt1时，T1被关断，激磁电流im与变压器原边电流I0N(N为变压器变比)同时对Cds充电。由于变压器原边电流远远大于激磁电流，电容Cds主要由原边电流I0N充电，可近似认为其端电压Uds(也即主开关T1漏源间的电压)线性上升。当tt2时，UdsUi， Dl关断，D2续流。又由于Cds很小，充电时间t12t2t1很短，可近似认为激磁电流im在这段时间内维持不变。等效电路如图2-10(b)所示。（3）t2t3，Lm与Cds谐振阶段t2时刻以后，变压器不再向负载传送能量，原边电流下降为0，Lm与Cds串联谐振，等效电路如图2-10(c)所示。im与Uds在本阶段的变化规律为：其中。im从immax开始下降，Uds从Ui继续上升，当tt3，UdsUiUc，Dc导通，Uc为箝位电容C1的箝位电压。（4）t3t4，Lm与C1谐振阶段Dc导通以后，Lm与Cds ，C1共同谐振。由于C1Cds (实际二者往往相差几个数量级)，为简化分析，可忽略Cds的作用，近似认为Lm与C1谐振，等效电路如图2-10(d)所示，im线性下降。在这一阶段，激磁电感Lm与箝位电容C1谐振，二者间的能量交换使箝位电压Uc出现小幅度的波动，实际应用中可以通过选择合适的参数将Uc的波动限制在较小的范围内，并近似认为Uc在一个工作周期中基本维持不变。并且由于箝位电路的作用使主开关T1的漏源两端电压uds，箝位在UiUc。(5) t4t5，磁通复位阶段im为零，随后变负，在这一阶段使箝位开关T2导通，由于Dc已经导通，T2实现了零电压开启。T2的导通为im提供了负向流通通道，im变负以后铁芯工作在磁化曲线的第三象限，使变压器的磁通得以恢复，这一过程即为磁通复位过程。t5时刻T2被关断。等效电路如图2-10(e)所示。（6）t5t6，Lm与Cds再谐振阶段 T2关断以后激磁电感Lm与Cds再次串联谐振，其等效电路与阶段(3)相同，如图2-10(f)所示，但由于初始条件不同，其变化规律也不同： uds下降。Cds以负值磁化电流放电，能量回馈到电网及转移到Lm中。（7）t6t7，im在副边续流阶段当uds下降到Ui时，D1开通，D1与D2共同导通期间为im在副边续流提供了路径，当uds下降到零时，为T1的开通创造了ZVS的条件。t7时刻S再次开通，电路进入下一个工作周期。等效电路如图2-10(g)所示。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)(g)图2-10各个区间的等效电路图第3章 有源箝位正激变换器的设计3.1 主电路原件的选择及参数设计3.1.1 功率开关的选择目前中小功率ZVT-PWM变换器中使用较多的功率开关主要有功率MOSFET与IGBT。IGBT具有通态压降低，耐压高和承受电流大等优点，但由于其速度较慢，且成本较高，适用于大功率电路。功率MOSFET具有工作快，输入阻抗高，热稳定性好，以及驱动电路简单的优点，并且成本低，根据技术条件:P=UI=100W。所以选择功率MOSFET即可满足需求。3.1.2箝位电容的设计根据前面的分析，在t3t5阶段，箝位电容C1与变压器的激磁电感Lm谐振，由于t1t2，t2t3，与t5t7阶段在整个周期中所占的比例很小，为简化问题，可近似视为在主开关T1的整个关断期间内，C1都与Lm在交换能量，又由于Uc远远小于Uc，Im被近似视为线性下降，对于上述有源箝位正激变换器，在主开关T1的关断期间(t1t7)，等效电路如图3-2所示，Uc与Im分别满足：UcLmdIm/dt，ImC1dUc/dt，解方程可得： UcZ1sin1(tt1)1 （3-1）其中，tt1,t5 ，进入稳态运行以后，有Uc(t1)= Uc(t7)，结合式（3-1），显然，只要Lm与C1谐振周期的一半大于主开关的关断时间(1D)T，T为功率开关的工作周期，电路便可正常工作，也就是要求 （3-2）另一方面，为了限制箝位电压纹波Uc，也对箝位电容C1值提出了要求。C1值越大，Uc越小，功率开关电压应力越小，但对电源电压或负载变化的动态响应变慢。设UcUc，则在t1,t5时间内，激磁电流可近似视为按斜率Uc/Lm下降。同时，进入稳态工作以后，变压器铁芯双向对称磁化，激磁电流Im的正向最大值与负向最大值相等。任何不对称磁化因素都会使Uc值适度变化，从而迫使铁芯双向对称磁化。假设图2-6中Im1Im2，则C1的充电能