单端有源箝位DCDC变换器

1、单端有源箝位 DC/DC变换器单端有源箝位 DC/DC变换器 类别：电源技术 作者：西安无线电二厂高季荪（西安 710016） 来源：电源技术应用摘要：单端正激式及反激式变换器的性能，因采用了有源箝位 / 恢复技 术而大大增强。其优点是效率高，对外干扰及器件应力小。本文介绍了两种有 源箝位电路拓扑，对电路工作状态进行了分析，对磁化电流和负载电流之间的 关系进行了推导。最后，对这种有源箝位的 DC/DC变换器的优点，作了归纳。关键词：功率变换开关电源 ZVS1 引言 在开关电源里，可把直流电压从一个电平变换到另一个电平。诸如 buck 电路， boost 电路以及 buckboost 电路。但是

2、，当要求把相当高的直流 电压变换到相当低的直流电压时，常规变换技术的效率较低，特别是当变换器 的工作频率在 1MHz以上时，开关损耗变得特别大。图 1 电路就是常规的 buck （正激式）变换器。该变换器在正常工作期 间，开关管 S1导通，把输入电压和输出电压之差加在电感 L1 上，使电感 L1中 的电流增加，并对输入电容 CS充电；该电流又送至负载 RL上。当开关 S1 关断 时，电感 L1极性反向使二极管 D1导通，然后，电流流经 D1和 L1，其幅度是 逐渐下降的，直到 S1 再导通为止，又开始下一个工作周期。图 2 为常规的 buck boost 变换器，它用变压器 T 把输入及输出电

3、压 隔离开来。该变换器可使输出电压的幅值大于或小于其输入电压的幅值。此电 路的缺点是开关管电流和二极管电流均比基本的 buck 或 boost 变换器的电流 大。本文所介绍的具有有源箝位的 DC/DC功率变换器，可以在 1MHz以上的 开关频率下，以零电压谐振变换来工作。电路中，只需要一个磁芯兼作电感和 变压器。通过改变匝比，以获得所需要的电压。对其输出特性的控制和普通的 变换器拓扑一样。用零电压谐振变换和变压器隔离技术，对磁芯无特殊要求。 该电路控制部分采用脉宽调制技术（ PWM），工作频率高，效率也高，且输入输出隔离。2 电路结构说明图 3 为本文重点介绍的具有有源箝位的 DC/DC变换器

4、电路。电路中采 用了三只开关管 S1、S2及 S3，变压器 T，变压器初级侧和次级侧的滤波电容分 别为 Ci 和 Cs。为分析方便，假定电容足够大，电容电压在整个开关周期内为 恒定值；变压器初次级绕组的耦合系数为 1；开关管是理想的，即无功耗，并 且能通过正反任一方向的电流。此外，在分析中，只考虑单输出形式，要输出 几种电压，可以增加次级绕组。通常是用普通的定时电路（未画出）来控制三个开关管的工作。其控 制波形如图 4 所示。在工作时，有源箝位开关 S1 和同步开关 S3 由同一信号 ug 来驱动（同时导通，同时截止 ）, 如图 4（a）波形所示。 S2则用相反的信号来驱 动。这样，当 S1及

5、 S3导通时， S2截止,反之亦然。因为假定 S1、S2、S3均为 理想开关管，即开通与关断是瞬时完成的。实际上，开关时间在30ns120ns之间，一般采用先关断后开通的波形来驱动。3 电路工作状态分析图 5 和图 6 所示为图 3 电路的两种工作状态。假定开始时该电路已处 于稳态运行，如图 5 所示， S2导通，变压器初级绕组中的电流增加，给电容 CP 充电，而输出电流 Io 完全由电容 CS支持着。在图 6 所示的状态中， S1及 S3 导通。这就使贮存在电容 CP和电感 LP 中的能量，从变压器初级侧传递到次级 侧负载。S2的工作周期为 T，占空比为 D，导通间隔为工作周期的一部分，即

6、DT。而 S1及 S3 的导通时间间隔为 TDT=T（1D）。在周期 T内，初级绕组 两端电压的平均值为零，即（Ui nUo）DT nUo（1D）T=0（1）UiD=nUo（2）D=nUo/Ui（3）式中， n是变压器的匝比。式（ 1）示于图 4（b）。同样 Cs中的平均 电流也为零。当 S2导通时， Cs供给负载电流 Io。当 S1及S3导通时， Cs充 电，以补偿 S2导通时 Cs 输出的能量。在理想情况下，可以认为 Cs 中的电流 ICS基本上是矩形，如图 4（c）所示。当 S2导通时， Cs输入电流 ICS和输出 端电流 Io 是幅值相等相位相反的 , 即ICS=Io （4）在S1和S

7、3导通期间， Cs的输入电流 ICS等于次级绕组中的电流 Is 和输出电流 Io 之差，即ICS=Is Io（5）因为电容 CS上的平均电流为零，则有DIo（1D）（IS Io）=0 （6）次级绕组中的电流 Is 可表示为Is=Io/ （1 D） （7）在 S1及 S3导通期间ICS=Io/（1 D）Io （8）=Io ·D/（1 D） （9）将式（ 3）代入式（ 9）得ICS=Io·nUo/（ UinUo） （10）Cs中的输入电流 ICS 示于图 4（c），输出电流 Io 示于图 4（ d）， Is 示于图 4（ e）。依据线性叠加，变压器初级绕组中的电流由三部分组成：

8、第一部分是 磁化电流 ILpm，系 S2 导通时 Ui 在初级绕组两端所加的电压引起的，它与输出 电流无关；第二部分电流是在 S1和 S3 导通期间，次级绕组的电流感应到初级 绕组中的电流，用 ILP13 表示；第三部分电流是在 S2导通期间，由输入电流 ILP2 所产生的。磁化电流由加在初级绕组上的电压、绕组电感、开关周期 T 及占空比 D决定。当 S2导通时iLPm（t）=ILPm（t0）+（Ui /Lp）t （11）在 S2 导通期间，峰峰磁化电流：（ILPm）p-p=（Ui-nU0 / Lp）DT （12）在 S1及 S3导通期间的峰峰电流可用同样的方法求出（ILPm）p-p=（nU0

9、 / Lp）（1-D）T （13）在稳态条件下，式（ 12）与式（ 13）相等。在 S1和 S3导通期间，负载电流在初级侧产生的电流 ILP13，可借 用变压器的匝比关系，把式（ 7）反射到初级侧即得ILP1-3=（Is/ n）=Io / n（1-D） （14）在 S2 导通期间，负载电流在初级侧产生的电流 ILP2 可这样来考虑： 在 S2 导通期间，必定有输入电流流通，以支持输出电流，因为输出能量等于输 入能量（理想变压器），又因为瞬时功率等于电压和电流之积，由式（3）可得（Io / nIi）=1 / D（ 15）整理后得 Ii=IoD / n （16）在 S2 导通期间，平均负载电流在初

10、级侧产生的电流等于输入电流 IiILP2D=Ii=IoD/ n （ 17）或 ILP2=Io /n （ 18）初级绕组磁化电流 ILPm的波形为三角形，如图 4（f ）所示。由式 （14）及（ 18）所示的负载电流波形分别示于图 4（g）和图 4（h），而合成的 初级电流波形示于图 4（i ）。由于初级绕组电感量较大，在整个开关周期内， 即使 S2关断， ILP2 基本上仍保持为恒定值。如果没有输出电流，磁化电流的平均值为零。因此，当变压器空载 时，初级电流为正负峰峰等幅的波形。而获得零电压谐振开关，该磁化电流的 峰峰幅值，必须大于两倍负载电流在初级绕组中所产生的电流。这种串联功率变换拓扑的特

11、点在于：在正激变换电路中，只用了一只 磁性元件，该磁性元件起两个作用：一是作为电路中的电感器，二是作为隔离 变压器。另外一种类似电路如图 7 所示。这种电路结构和工作情况，基本上和图 3 一样， Cp只有当 S1导通 时，才能并接到初级绕组。图 7 电路所产生的波形示于图 8。其工作状态分别 示于图 9和图10。在图 9中 S2导通，使初级绕组中的电流增加，而输出电流 完全由电容 CS来提供。在图 10中S1和S3导通， CP上的电压 Ucp（是在 S1及 S3断开时， Cp连续充放电所形成的），加在变压器初级绕组上。稳态时，初级电感上的电压在一个开关周期内平均值为零UiDT （ nUo）（1

12、 D）T=0 （19）nUo（D-1）+UiD=0 （20）nUo / Ui=D / 1-D （21）其波形示于图 8（b）。从式（ 9）和（ 21），可得Ics=Io ·（nUo / Ui ） （22）Ics 波形示于图 8（ c）。输出电流 Io 波形示于图 8（d），而次级电 流 Is 波形示于图 8（ e）。在 S2 导通期间，磁化电流iLPm（t）=ILPm（t0）+Ui / Lp（ 23）磁化电流的峰峰值：（ILPm）p-p=（Ui / Lp）DT（ 24）同样，在 S1和 S3导通期间，磁化电流的峰峰幅值为：（ILPm）p-p=nUo / Lp（1-D）T （ 25）式

13、（ 25）的波形示于图 8（f） 。式（ 7）所表示的电流反射到变压器初级侧，就导出式（ 14）。在 S2 导通期间，由负载电流在初级侧所产生的电流，可由式（ 21）导 出Io / nIi=1-D / D（ 27）整理后可得 Ii=IoD / n（1-D）（28）在整个开关周期内， S2 导通期间由负载电流在初级侧所产生的电流等 于输入电流 IiILP2D=Ii=IoD / n（1-D）（ 29）或 ILP2=Io / n（1-D） （ 30）式（ 30）的波形示于图 8（g）。初级绕组磁化电流 ILPm为三角波形，如图 8（f ）所示。合成的初级 电流波形如图 8（h）所示。当输出电流为零时，就和正激变换器的情况一样，初级绕组中只有磁 化电流，其平均值为零。图 7电路和图 3电路不同点是：图 3电路在 S2关断期 间，初级绕组中无磁化电流，而在图 7电路中，即使在 S2关断期间， CP仍会 提供一定的磁化电流。4 结语图 3 电路由于采用开关管 S1作为有源箝位 / 恢复器件，使该电路具有 如下优点：（1）为使变压器恢复，不需要附加恢复绕组，或附加有损耗的箝位器 件。（2）占空比比较高，允许输入电压范围宽，或采用较高的匝比。（3）由于匝比较高，初级上的电流应力和次级侧上的电压应力可大大 减轻。（4）存贮在寄生元件中的能量被传输到谐振槽路元件上，并循环进 行，结果使电