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                

2、60;                   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。        

3、关键词：功率变换    开关电源 ZVS     1 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

4、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

5、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

6、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、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

7、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）。在周期T内，初级绕组两端

8、电压的平均值为零，即     (UinUo)DTnUo(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

9、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ICS等于次级绕组中的电流Is和输出电流Io之差，即    ICS=IsIo  

10、  (5)    因为电容CS上的平均电流为零，则有                 DIo(1D)(ISIo)=0 (6)    次级绕组中的电流Is可表示为    Is=Io/（1D） (7)    在S1及S3导通期间   

11、 ICS=Io/(1D)Io (8)    =Io·D/(1D) (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：第一部分是磁化电流ILpm，系S2导通时Ui在初级绕组两端所

12、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：    

13、(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)(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 &

14、#160;  / 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

15、流等于输入电流Ii     ILP2D=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。 &

16、#160;  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，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

17、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)(1D)T=0 (19)    nUo(D-1)+UiD=0 (20)     nUo / Ui=D / 1-D (21)  

18、;  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：   

19、  (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  &#

20、160;  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Ii     ILP2D=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