有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計(jì)方法

1、有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計(jì)方法 劉耀平 (深圳華德電子有限公司，廣東深圳518066）摘要：零電壓軟開關(guān)有源鉗位正激變換器拓?fù)浞浅＿m合中小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。增加變壓器勵磁電流或應(yīng)用磁飽和電感均能實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作模式。基于對零電壓軟開關(guān)有源鉗位正激變換器拓?fù)涞睦碚摲治?，提出了一套?shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：有源鉗位；正激變換器；零電壓軟開關(guān)1引言單端正激變換器拓?fù)湟云浣Y(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于獨(dú)立的離線式中小功率電源設(shè)計(jì)中。在計(jì)算機(jī)、通訊、工業(yè)控制、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，這類電源具有廣闊的市場需求。當(dāng)今，節(jié)能和環(huán)保已成為全球?qū)?/p>

2、能設(shè)備的基本要求。所以，供電單元的效率和電磁兼容性自然成為開關(guān)電源的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。而傳統(tǒng)的單端正激拓?fù)?，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬開關(guān)工作模式，決定了該電路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開關(guān)器件電壓應(yīng)力高，開關(guān)損耗大；dv/dt和di/dt大，EMI問題難以處理。為了克服這些缺陷，文獻(xiàn)123提出了有源鉗位正激變換器拓?fù)?，從根本上改變了單端正激變換器的運(yùn)行特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作模式，從而大量地減少了開關(guān)器件和變壓器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了電磁兼容性。因此，有源鉗位正激變換器拓?fù)溲杆佾@得了廣泛的應(yīng)用。然而，有源鉗位正激變換器并非完美無缺，零電壓

3、軟開關(guān)特性也并非總能實(shí)現(xiàn)。因而，在工業(yè)應(yīng)用中，對該電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文針對有源鉗位正激變換器拓?fù)?，進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，指出了該電路的局限性，并給出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。2正激有源鉗位變換器的工作原理如圖1所示，有源鉗位正激變換器拓?fù)渑c傳統(tǒng)的單端正激變換器拓?fù)浠鞠嗤皇窃黾恿溯o助開關(guān)Sa（帶反并二極管）和儲能電容Cs，以及諧振電容Cds1、Cds2，且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復(fù)電路。磁飽和電感Ls用來實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，硬開關(guān)模式用短路線替代。開關(guān)S和Sa工作在互補(bǔ)狀態(tài)。為了防止開關(guān)S和Sa共態(tài)導(dǎo)通，兩開關(guān)的驅(qū)動信號間留有一定的死區(qū)時間。下面就其硬開關(guān)工作模式和零電壓軟開關(guān)工作

4、模式分別進(jìn)行討論。為了方便分析，假設(shè)： 1）儲能電容Cs之容量足夠大以至于其上的電壓Vcs可視為常數(shù)；2）輸出濾波電感Lo足夠大以至于其中的電流紋波可忽略不計(jì)；3）變壓器可等效成一個勵磁電感Lm和一個匝比為n的理想變壓器并聯(lián)，并且初次級漏感可忽略不計(jì)；4）所有半導(dǎo)體器件為理想器件。2.1有源鉗位正激變換器硬開關(guān)工作模式硬開關(guān)的有源鉗位正激變換器工作狀態(tài)可分為6個工作區(qū)間，關(guān)鍵工作波形如圖2(a)所示。 t0t1期間主開關(guān)S導(dǎo)通，輔助開關(guān)Sa斷開。變壓器初級線圈受到輸入電壓Vin的作用，勵磁電流線性增加，次級整流管導(dǎo)通并向負(fù)載輸出功率。t1時刻，主開關(guān)S斷開。t1t2期間負(fù)載折算到變壓器初級的電

5、流Io和勵磁電流im給電容Cds1充電和Cds2放電，電壓Vds1迅速上升。t2時刻，Vds1上升到Vin，變壓器輸出電壓為零，負(fù)載電流從整流管D3轉(zhuǎn)移到續(xù)流管D4。t2t3期間只有勵磁電流im通過Lm、Cds1、Cds2繼續(xù)諧振，并在t3時刻Vds1達(dá)到(VinVcs)。輔助開關(guān)Sa的反并二極管D2導(dǎo)通，勵磁電流給電容Cs充電并線性減小，此時，可驅(qū)動輔助開關(guān)Sa。t3t4期間變壓器初級線圈受到反向電壓Vcs的作用，勵磁電流由正變負(fù)。t4時刻，Sa斷開。t4t5期間電容Cds1、Cds2與Lm發(fā)生諧振，并在t5時刻電壓Vds1下降到Vin，變壓器磁芯完成磁恢復(fù)。t5t0期間次級整流管導(dǎo)通，變壓

6、器次級繞組短路，給勵磁電流提供了通道。在此期間，Vds1維持在Vin，勵磁電流保持在Im(max)。t0時刻，主開關(guān)S被驅(qū)動導(dǎo)通，下一個開關(guān)周期開始。很明顯，有源鉗位正激變換器的變壓器磁芯工作在一、三象限，變換器工作占空比可超過50。由于電容Cds1、Cds2的存在，開關(guān)S和Sa均能自然零電壓關(guān)斷，而且Sa能實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。但主開關(guān)管S工作在硬開關(guān)狀態(tài)。2.2有源鉗位正激變換器零電壓軟開關(guān)模式從上面的分析可明顯地看出，當(dāng)變壓器勵磁電感Lm減小，勵磁電流足夠大時，t5t0期間勵磁電流除了能提供負(fù)載電流外，剩余部分可用來幫助電容Cds2、Cds1充放電。電壓Vds1有可能諧振到零，從而實(shí)現(xiàn)主功率開

7、關(guān)管S的零電壓軟開通。二極管D1可為負(fù)的勵磁電流續(xù)流。關(guān)鍵工作波形如圖2（b）所示，具體的軟開關(guān)條件將在下一節(jié)中詳細(xì)討論。很顯然，軟開關(guān)的代價(jià)是變壓器勵磁電流和開關(guān)管導(dǎo)通電流峰值大幅增加，開關(guān)管及變壓器電流應(yīng)力和通態(tài)損耗明顯加大。2.3應(yīng)用磁飽合電感器實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)為了克服上述零電壓軟開關(guān)工作時電流應(yīng)力過大的缺點(diǎn)。可以在變壓器次級整流二極管上串聯(lián)一個磁飽和電感Ls，如圖1所示。當(dāng)電壓Vds1下降到Vin時，t5t0期間磁飽和電感Ls瞬時阻斷整流二極管，使得變壓器勵磁電流不必負(fù)擔(dān)負(fù)載電流，而可完全用來給電容Cds2、Cds1充放電。這樣，不必大量減小變壓器勵磁電感，較小的勵磁電流就可以保證電壓

8、Vds1諧振到零，實(shí)現(xiàn)主功率開關(guān)管的零電壓軟開通。關(guān)鍵工作波形如圖2（c）所示。3靜態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法31儲能電容電壓及開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力根據(jù)磁芯伏-秒平衡原則，可得式（1）式中：Vin為輸入直流電壓；Vo為輸出電壓；D為主開關(guān)導(dǎo)通占空比；Ts為開關(guān)周期；n為變壓器匝比。因此，主開關(guān)S和輔助開關(guān)Sa承受的最大電壓應(yīng)力均為VDS：上式說明，當(dāng)變壓器匝比愈小時，對于一定的輸入電壓和輸出電壓的變換器，開關(guān)管電壓應(yīng)力VDS愈小。所以，有源鉗位正激變換器一個顯著優(yōu)點(diǎn)是可以降低開關(guān)管電壓應(yīng)力，從而可選用額定電壓較低、通態(tài)電阻較小的功率開關(guān)管。另外，當(dāng)變壓器變比n確定后，開關(guān)管電壓應(yīng)力僅與占空比有關(guān)，如

9、圖3所示。顯然，當(dāng)占空比為0.5時，開關(guān)管承受最小的電壓應(yīng)力。當(dāng)輸入電壓變化時，如果將占空比設(shè)計(jì)運(yùn)行在以0.5為中心的對稱范圍內(nèi)，則可使開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力基本保持恒定。 32增加勵磁電流實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作條件從開關(guān)Sa斷開到電壓Vds1諧振至零的過程，即工作區(qū)間t4t5和t5t0。要實(shí)現(xiàn)主開關(guān)S零電壓軟開通，其導(dǎo)通驅(qū)動延遲時間必須大于以上兩區(qū)間之和。t4t5期間等效電路如圖4所示。相應(yīng)的電路微分方程是：微分方程的解為：式中：0tt5t4。t5時刻，即當(dāng)t5t0期間等效電路如圖5所示。相應(yīng)的電路微分方程是：微分方程的解為：為變換器輸出電流折算到變壓器原邊的值，并且忽略了輸出電感的電流紋波。顯

10、而易見，主開關(guān)零電壓開通的必要條件是：實(shí)際上，上述條件即是，變壓器勵磁電感儲存的電流除支持負(fù)載電流外，剩余能量能使電容Cds1上電壓諧振到零。Vds1從Vin諧振到零所需時間tb為：所以，主開關(guān)管零電壓導(dǎo)通所需總的導(dǎo)通延遲時間td為：實(shí)際上，諧振頻率遠(yuǎn)大于開關(guān)頻率fs，即K遠(yuǎn)大于1，故式（23）可簡化為：33應(yīng)用磁飽和電感實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作的條件當(dāng)輔助開關(guān)Sa斷開后，由于磁飽和電感Ls瞬間相當(dāng)于開路，因此變壓器勵磁電流可完全用來對Cds2和Cds1充放電。t4t5、t5t0期間，等效電路同圖4。顯然，令式（21）和（24）中Io或Io為零，即可得到主開關(guān)管零電壓導(dǎo)通的能量條件和時間條件，Im(ma

11、x)CdsVin，即：死區(qū)延遲時間，意味著PWM變換器有效占空比的損失。為了盡量減小有效占空比的損失，則K必須加大。另一方面，變換器開關(guān)頻率fs愈高，則為保持相同的有效占空比，K至少應(yīng)保持不變，即諧振頻率應(yīng)與開關(guān)頻率fs成比例增加。圖6給出了軟開關(guān)所需要的死區(qū)時間td和最大勵磁電流Im(max)與K的關(guān)系曲線。從圖中明顯看出，采用加大勵磁電流的方法實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)和采用磁飽和電感器比較，要求的K較大，因而有較大的勵磁電流損耗；另外，從式（15）看出，開關(guān)頻率愈高，電流峰值也愈高，變壓器的銅耗和開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也愈大。因此，軟開關(guān)有源鉗位正激變換器工作頻率不宜太高。 34優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對一給定技術(shù)

12、指標(biāo)的DC/DC變換器，其具體參數(shù)為：輸入電壓范圍Vin(min)Vin(max)，輸出電壓Vo，輸出功率Po，開關(guān)頻率fs。設(shè)計(jì)步驟如下：1）根據(jù)輸出功率Po、開關(guān)頻率fs選定變壓器磁芯材料，得到相應(yīng)的磁芯截面積Ae，飽和磁密Bs，窗口面積Aw等。設(shè)定最大交變磁密B。2）確定最大電壓應(yīng)力VDS及降額系數(shù)K1。3）據(jù)式（27）、（28）求出變壓器匝比n和最大、最小占空比Dmax、Dmin，及正常占空比Dnorm。4）求出變壓器初次級匝數(shù)N1，N2。5）求出開關(guān)管電壓應(yīng)力Vds，選定主開關(guān)S和輔助開關(guān)Sa的額定電壓及確定諧振電容Cds1和Cds2。6）設(shè)定死區(qū)延遲時間td，針對不同的軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方

13、法，分別從式（21）、（24）或（25）、（26）求出所需的系數(shù)K。7）根據(jù)式（14）和（12）求出諧振頻率及變壓器初級勵磁電感量Lm。4設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用上述設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)1臺用于通訊設(shè)備的AC/DC變換器電源。具體技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓ViAC140V280V輸出電壓VoDC12V輸出功率Po150W功率因數(shù)>0.95效率>0.80采用常規(guī)的Boost變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正，滿足功率因數(shù)大于0.95的指標(biāo)要求，且得到DC440V的直流電壓?？紤]到電源保持時間要求，設(shè)定有源鉗位DC/DC變換器輸入電壓工作范圍為DC330450V，開關(guān)頻率為100kHz，即Ts=10s，Vinm

14、ax=450V，Vinmin=330V，Vinnorm=440V。為提高效率，有源鉗位DC/DC變換器采用了同步整流技術(shù)，設(shè)計(jì)結(jié)果如下：1）選擇磁芯材料為TDK，PC40，EER40，Ae=1.49cm2，Bs=450mT，取B=300mT。2）設(shè)定開關(guān)管最大電壓應(yīng)力為900V，降額系數(shù)K1為0.9。3）求出變壓器匝比n，最大、最小占空比Dmax、Dmin，及正常占空比Dnorm 考慮整流管壓降和輸出電感損耗，取Vo為13V，據(jù)式（27）、（28）求出：n15，取n=13.3。則：Dmax=0.524，Dmin=0.384，Dnorm=0.393。4）據(jù)式（29）、（30）求出變壓器

15、初次級匝數(shù)N1，N2分別為40匝和3匝。5）據(jù)式（3），求出當(dāng)占空比為0.384時，開關(guān)管承受最大的電壓應(yīng)力731V。S和Sa可選900V之功率場效應(yīng)管。等效漏源并聯(lián)電容Cds1為330pF，Cds2為200pF，所以Cds為530pF。6）設(shè)定死區(qū)時間td為350ns，采用磁飽和電感方法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。則據(jù)式（26）求出K為15.4。7）據(jù)式（14）和（12）求出諧振頻率為1.54MHz，變壓器勵磁電感Lm為800H。圖7（a）、7（b）、7（c）給出了實(shí)測的主開關(guān)管工作電壓、電流波形。圖7（a）顯示主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)。圖7（b）和圖7（c）分別是采用增加勵磁電流方法和應(yīng)用磁飽和電感器方法實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)的電壓電流波形，后者明顯地降低了勵磁電流和開關(guān)管電流的峰值。實(shí)測波形與理論分析完全一致。圖8、9顯示出了實(shí)測的效率曲線。從圖9中看出，當(dāng)變換器開關(guān)頻率增加時，變壓器勵磁電流損耗和開關(guān)管通態(tài)損耗所占比重增加，變