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，当要求把相当高的

2、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 buckboost 变换器，它用变压器T 把输入及输出电压隔离开来。该变换器可使输出电压的幅值大

3、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变换器电路。电路中采用了三只开关管 S1、S2 及 S3，变压器

4、 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 S3 导通时， S2截止 , 反之亦然。因为假定 S1、S2

5、、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DT。而 S1 及 S3 的导通时间间隔为 TDT=T（1D）。

6、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 S3 导通期间， Cs的输入电流

7、 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(1 D)(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/（ Ui nUo） (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：第一部分是磁化电

8、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 ILP1 3 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 / Lp)(

9、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ILP1 3，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，平均负载电流在初级侧产生的电流等

10、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点在于：在正激变换电路中，

11、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 D)T=0

12、 (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（ 25）的波形

13、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，