正激有源钳位分析

1、有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法2009 年 07 月 14 日 17:48 深圳华德电子有限公司 作者：刘耀平 用户评论（0）关键字：创创踐 I 创捫有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法?摘要：零电压软开关有源钳位正激变换器拓扑非常适合中小功率开关电源 的设计。增加变压器励磁电流或应用磁饱和电感均能实现零电压软开关工 作模式。基于对零电压软开关有源钳位正激变换器拓扑的理论分析，提出 了一套实用的优化设计方法。实验结果验证了理论分析和设计方法。关键词：有源钳位；正激变换器；零电压软开关1?引言?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

2、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 环保已成为全球对耗能设备的基本要求。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；dv/dt 和 di /dt 大，EMI 问题难以处理。?为了克服这些缺陷，文献123 提出了有源钳位正激变换器拓扑， 从根本上改变了单端正激变换器的运行特性，并且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

3、器的功耗，降低了dv/dt 和di/dt，改善了电磁兼容性。因此，有源钳位正激变换器拓扑迅速获得了广泛的应用? 然而，有源钳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。本文针对有源钳位正激变换器拓扑， 进行了详细的理论分析， 指出了该电 路的局限性， 并给出了一种优化设计方法。2? 正激有源钳位变换器的工作原理? 如图 1 所示，有源钳位正激变换器拓扑与传统的单端正激变换器拓扑 基本相同，只是增加了辅助开关 sa（带反并二极管）和储能电容 cs,以及 谐振电容 Cdsl、Cds2，且略去了传统正激变换器的磁恢复电路。磁饱和电

4、感Ls用来实现零电压软开关，硬开关模式用短路线替代。开关s 和 sa工作在互补状态。为了防止开关 S 和 Sa共态导通，两开关的驱动信号间留有一定 的死区时间。下面就其硬开关工作模式和零电压软开关工作模式分别进行 讨论。 为了方便分析， 假设：图 1? 采用磁饱和电感的有源钳位正激软开关变换器? 1 ）储能电容 cs之容量足够大以至于其上的电压 VCs可视为常数；? 2 ）输出滤波电感 Lo足够大以至于其中的电流纹波可忽略不计；? 3）变压器可等效成一个励磁电感 Lm和一个匝比为 n 的理想变压器并联，并且初次级漏感可忽略不计； ? 4 ）所有半导体器件为理想器件2.1? 有源钳位正激变换器硬

5、开关工作模式? 硬开关的有源钳位正激变换器工作状态可分为 6 个工作区间，关键工 作波形如图2(a) 所示。? toti期间主开关 S 导通，辅助开关 Sa断开。变压器初级线圈受到输 入电压 Vin的作用， 励磁电流线性增加，次级整流管导通并向负载输出功率。ti时刻， 主开关 S 断开。? tit2期间负载折算到变压器初级的电流Io诵励磁电流im给电容Cdsi充电和GS2放电，电压 Vdsi迅速上升。t2时刻，Vdsi上升到 Vn，变压器输出 电压为零，负载电流从整流管D3转移到续流管 D4。? t2t3期间只有励磁电流 im通过 Lm、Cdsi、Cds2继续谐振，并在 t3时刻 Vdsi达到

6、(Vn+ VCs)。辅助开关 Sa的反并二极管 D2导通，励磁电流给电容 CS充电并线性减小，此时，可驱动辅助开关 Sa。? t3t4期间变压器初级线圈受到反向电压 仏的作用，励磁电流由正 变负。t4时刻，Sa断开。? t4t5期间电容 Csi、Cds2与 Lm发生谐振，并在 t5时刻电压 Vdsi下降到 Vn，变压器磁芯完成磁恢复。? t5t。期间次级整流管导通，变压器次级绕组短路，给励磁电流提 供了通道。在此期间，Vdsi维持在 Vn，励磁电流保持在Im(max)。to时刻， 主开关 S 被驱动导通，下一个开关周期开始。? 很明显，有源钳位正激变换器的变压器磁芯工作在一、三象限，变换 器工

7、作占空比可超过 50%。由于电容 Cdsl、Cds2的存在，开关 S 和 Sa均能自 然零电压关断，而且 Sa能实现零电压导通。但主开关管 S 工作在硬开关状 态。(a)硬开关工作波形(b)增加励磁电流实现软开关的工作波形 ？(c)采用磁饱和电感实现软开关的工作波形图 2? 各种开关电路的工作波形2.2? 有源钳位正激变换器零电压软开关模式?从上面的分析可明显地看出，当变压器励磁电感Lm减小，励磁电流足够大时，t5t。期间励磁电流除了能提供负载电流外，剩余部分可用来帮助电容 Cds2、Cdsl充放电。电压血有可能谐振到零，从而实现主功率开关 管 S 的零电压软开通。二极管 D 可为负的励磁电流

8、续流。关键工作波形如 图 2 (b)所示，具体的软开关条件将在下一节中详细讨论。 很显然， 软开 关的代价是变压器励磁电流和开关管导通电流峰值大幅增加，开关管及变 压器电流应力和通态损耗明显加大。2.3? 应用磁饱合电感器实现零电压软开关? 为了克服上述零电压软开关工作时电流应力过大的缺点。可以在变压 器次级整流二极管上串联一个磁饱和电感Ls,如图 1 所示。当电压 Vdsi下降到 Vin时，t5to 期间磁饱和电感 Ls瞬时阻断整流二极管，使得变压器励磁电流不必负担负载电流，而可完全用来给电容Cds2、Cdsl充放电。这样, 不必大量减小变压器励磁电感，较小的励磁电流就可以保证电压 Vdsl

9、谐振到 零，实现主功率开关管的零电压软开通。关键工作波形如图 2(c)所示。3?静态分析和优化设计方法3.1?储能电容电压及开关管承受的电压应力?根据磁芯伏？秒平衡原则，可得式(1)? VCs(1 - D)Ts=VnDT (1)因为乂=斤所以薇.? VCs=? (2)式中：Vn为输入直流电压；?Vo为输出电压；? D 为主开关导通占空比；? Ts为开关周期；? n 为变压器匝比。?因此，主开关 S 和辅助开关 Sa承受的最大电压应力均为 V.S：? %尸|_=；：| 一川(3)?上式说明，当变压器匝比愈小时，对于一定的输入电压和输出电压的 变换器，开关管电压应力 Ws 愈小。所以，有源钳位正激

10、变换器一个显着优点是可以降低开关管电压应力，从而可选用额定电压较低、通态电阻较小 的功率开关管。另外，当变压器变比n 确定后，开关管电压应力仅与占空比有关，如图 3 所示。显然，当占空比为 0.5 时，开关管承受最小的电压 应力。当输入电压变化时，如果将占空比设计运行在以0.5 为中心的对称范围内，则可使开关管承受的电压应力基本保持恒定。图 3?开关管电压应力与占空比的关系曲线3. 2?增加励磁电流实现零电压软开关工作条件?从开关 sa断开到电压 Vdsl谐振至零的过程，即工作区间t4t5和t5 to。要实现主开关 S 零电压软开通，其导通驱动延迟时间必须大于以上 两区间之和。? t4t5期间

11、等效电路如图 4 所示。相应的电路微分方程是：? Vn=LCds+ Vdsl(4)如IL?=(5)?九 r=VDs(6)图 4? t4t5期间的等效电路微分方程的解为：? Vds1= g吒，COS(3t + )+Vin(7)? im=圮 + 代此 sin(wt+)(8)?矗 C=Vn( 18)式中：OWt 人 (10)?Im(max=?实际上，谐振频率w远大于开关频率 fs，即 K 远大于 1，故式(23)图 5? t5tO 期间的等效电路微分方程的解为：? Vdsi=% sin3t+Vn(19)k*? in=-(Im(max)Io)cos3t Io(20)式中：0WtWto t5；? Io*

12、=；为变换器输出电流折算到变压器原边的值，并且忽略了输出电感的电流纹波。?显而易见，主开关零电压开通的必要条件是:?实际上，上述条件即是，变压器励磁电感储存的电流除支持负载电流外,剩余能量能使电容 Cdsl上电压谐振到零。Vdsl从 Vn谐振到零所需时间 tb为：LJ 忻.? tb= arcsin L；一叮(22)所以，主开关管零电压导通所需总的导通延迟时间 td为:? (Im(max)Io)CdswVin(21)?实际上，谐振频率w远大于开关频率 fs，即 K 远大于 1，故式(23)可简化为:? td尹 3 莎站严啥 1(24) 3. 3?应用磁饱和电感实现软开关工作的条件?当辅助开关 S

13、a断开后，由于磁饱和电感 Ls 瞬间相当于开路，因此变压 器励磁电流可完全用来对 Cds2和Gs1充放电。t4t5】 t5to期间，等 效电路同图 4。显然，令式(21)和(24)中 I。*或 Io为零，即可得到主开 关管零电压导通的能量条件和时间条件，Im(max) CdsVin，即：?上0剖子皿盒一皿 口 幵? (26) ?死区延迟时间，意味着 PWM 变换器有效占空比的损失。为了尽量减小 有效占空比的损失，则 K 必须加大。另一方面，变换器开关频率 fs愈咼， 则为保持相同的有效占空比，K 至少应保持不变，即谐振频率3应与开关 频率fs成比例增加。 图6给出了软开关所需要的死区时间td和

14、最大励磁电 流Im(max与 K 的关系曲线。从图中明显看出，采用加大励磁电流的方法实现 零电压软开关和采用磁饱和电感器比较，要求的 K 较大，因而有较大的励 磁电流损耗；另外，从式(15)看出，开关频率愈高，电流峰值也愈高， 变压器的铜耗和开关管的导通损耗也愈大。因此，软开关有源钳位正激变 换器工作频率不宜太高。图6?软开关所需延迟时间td和最大励磁电流Im(max与系数K的关系曲线 3. 4?优化设计方法?对一给定技术指标的 DC/DC 变换器，其具体参数为：输入电压范围Vn（min）Vn（max），输出电压 V。，输出功率 P0，开关频率 fs。设计步骤如下:? 1）根据输出功率 P。、

15、开关频率 fs选定变压器磁芯材料，得到相应的磁 芯截面积A,饱和磁密窗口面积 Aw等。设定最大交变磁密 Bo? 2 ）确定最大电压应力 VDS及降额系数 K。,m。? 3）据式（27）、（ 28）求出变压器匝比 n 和最大、最小占空比Jax、Dnin，及正常占空比Dorm。?也=忙 2*-曲wKIVDS（27）? Vds心厂心wKIVDS（28）? 4 ）求出变压器初次级匝数 N, N?(29)? 5）求出开关管电压应力 Vds，选定主开关 S 和辅助开关 Sa的额定电压 及确定谐振电容 Cdsl和Gs2。? 6）设定死区延迟时间 td，针对不同的软开关实现方法，分别从式（21）、（24）或（

16、25）、（ 26）求出所需的系数Ko? 7）根据式（14）和（12）求出谐振频率3及变压器初级励磁电感量考虑整流管压降和输出电感损耗，取 Vo为 13V,据式（27）、（ 28）求出:4? 设计实例和实验结果 ?应用上述设计方法，设计 1 台用于通讯设备的 AC/DC 变换器电源。具 体技术指标为：?输入电压 V?AC 140 280V? 输出电压 Vo?DC 12V? 输出功率 Po?150W?功率因数入? 0.95?效率n? 0.80? 采用常规的 Boost 变换器进行功率因数校正， 满足功率因数大于 0.95 的指标要求，且得到 DC 440V 的直流电压。考虑到电源保持时间要求，设

17、定有源钳位 DC/DC变换器输入电压工作范围为 DC330450V,开关频率为 100kHz,即卩 Ts= 10 卩 s ,Vnmax=450V, Vnmin=330V, Vnnorm=440Vo 为提咼效率， 有源钳位 DC/DC 变换器采用了同步整流技术，设计结果如下：2? 1 ）选择磁芯材料为 TDK PC40 EER40 A=1.49cm, Bs=450mT 取 B=300mT? 2 ）设定开关管最大电压应力为 900V,降额系数 K1为 0.9。? 3）求出变压器匝比 n,最大、最小占空比dax、din,及正常占空比DormnW15,取 n=13.3。贝U:Dnax=0.524 ,

18、Dnin=0.384 ,Dorm=0.393。? 4）据式（29）、（30）求出变压器初次级匝数 N, 2 分别为 40 匝和 3 匝。? 5）据式（ 3）,求出当占空比为 0.384 时,开关管承受最大的电压应 力 731VS 和S 可选 900V 之功率场效应管。等效漏源并联电容 Cdsi为 330pF, Cds2为 200pF，所以Cds为 530pF。? 6）设定死区时间 td为 350ns,采用磁饱和电感方法实现软开关。则据式（26）求出 K 为 15.4。? 7）据式（14）和（12）求出谐振频率s为 1.54MHz 变压器励磁电感 Lm为 800 卩 Ho?图 7 （a）、7 （b）