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有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法

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标签: 电源

电源

有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法

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有源钳½正激变换器的理论分析和设计方法
刘耀平
(深圳华德电子有限公司,广东深圳 518066)
摘要:
零电压½开关有源钳½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½实现零电压½开关工½模式。
基于对零电压½开关有源钳½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½;正激变换器;零电压½开关
1
引言
单端正激变换器拓扑以其结构简单、
工½可靠、
成本½廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率
电源设计中。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。½今,节½和环保已成为全球对耗½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½在第一象限,
并且是硬开关工½模式,决定了该电路存在一些固有的缺陷:变压器½积大,损耗大;开关器件
电压应力高,开关损耗大;d
v
/d
t
d
i
/d
t
大,EMI 问题难以处理。
为了克服这些缺陷,文献[1][2][3]提出了有源钳½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½够实现零电压½开关工½模式,
从而大量地减少了开关器件和变压器的
功耗,降½了
d
v
/d
t
d
i
/d
t
,改善了电磁兼容性。因此,有源钳½正激变换器拓扑迅速获得了广
泛的应用。
然而,有源钳½正激变换器并非完美无缺,零电压½开关特性也并非总½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½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½变换器的工½原理
如图
1
所示,有源钳½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
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助开关
S
a
(带反并二极管)和储½电容
C
s
,以及谐振电容
C
ds1
、C
ds2
,且略去了传统正激变换
器的磁恢复电路。磁饱和电感
Ls
用来实现零电压½开关,硬开关模式用短路线替代。开关
S
S
a
工½在互补状态。
为了防止开关
S
S
a
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½模式和零电压½开关工½模式分别进行讨论。为了方便分析,假设:
1)储½电容 C
s
之容量足够大以至于其上的电压
V
cs
可视为常数;
2)输出滤波电感 L
o
足够大以至于其中的电流纹波可½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½
略不计;
4)所有半导½器件为理想器件。
2.1
有源钳½正激变换器硬开关工½模式
硬开关的有源钳½正激变换器工½状态可分为
6
个工½区间,关键工½波½如图
2(a)所示。
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[t
0
½t
1
]期间主开关 S
导通,辅助开关
S
a
断开。变压器初级线圈受到输入电压
Vin
的½用,励磁
电流线性增加,次级整流管导通并向负½½输出功率。t
1
时刻,主开关
S
断开。
[t
1
½t
2
]期间负½½折算到变压器初级的电流 I
o
和励磁电流
i
m
给电容
C
ds1
充电和
C
ds2
放电,电压
V
ds1
迅速上升。t
2
时刻,V
ds1
上升到
V
in
,变压器输出电压为零,负½½电流从整流管
D
3
½移到续流
D
4
[t
2
½t
3
]期间只有励磁电流 i
m
通过
L
m
、C
ds1
、C
ds2
继续谐振,并在
t
3
时刻
V
ds1
达到(V
in
+V
cs
)。辅
助开关
S
a
的反并二极管
D
2
导通,励磁电流给电容
C
s
充电并线性减小,此时,可驱动辅助开关
S
a
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[t
3
½t
4
]期间变压器初级线圈受到反向电压 V
cs
的½用,励磁电流由正变负。t
4
时刻,S
a
断开。
[t
4
½t
5
]期间电容 C
ds1
、C
ds2
L
m
发生谐振,并在
t
5
时刻电压
V
ds1
下降到
Vin,变压器磁芯完成
磁恢复。
[t
5
½t
0
′]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,V
ds1
维持在
V
in
励磁电流保持在-Im(max)。
0
′时刻,
t
主开关
S
被驱动导通,
下一个开关周期开始。
很明显,有源钳½正激变换器的变压器磁芯工½在一、三象限,变换器工½占空比可超过
50%。
由于电容
C
ds1
、C
ds2
的存在,开关
S
S
a
均½自然零电压关断,而且
S
a
½实现零电压导通。½
主开关管
S
工½在硬开关状态。
2.2
有源钳½正激变换器零电压½开关模式
从上面的分析可明显地看出,½变压器励磁电感
L
m
减小,励磁电流足够大时,[t
5
½t
0
′]期间励
磁电流除了½提供负½½电流外,剩½部分可用来帮助电容
C
ds2
、C
ds1
充放电。电压
Vds1
有可½
谐振到零,从而实现主功率开关管
S
的零电压½开通。二极管
D
1
可为负的励磁电流续流。关键
工½波½如图
2(b)所示,具½的½开关条件将在下一节中详细讨论。很显然,½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½开关
为了克服上述零电压½开关工½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。½电压
Vds1
下降到
Vin
时,[t5½t0′]期间磁饱和电感
Ls
瞬时
阻断整流二极管,½得变压器励磁电流不必负担负½½电流,而可完全用来给电容
Cds2、Cds1
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
Vds1
谐振到零,
实现主功率开关管的零电压½开通。关键工½波½如图
2(c)所示。
3
静态分析和优化设计方法
3.1
储½电容电压及开关管承受的电压应力
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根据磁芯伏-秒平衡原则,可得式(1)
式中:V
in
为输入直流电压;
V
o
为输出电压;
D
为主开关导通占空比;
T
s
为开关周期;
n
为变压器匝比。
因此,主开关
S
和辅助开关
S
a
承受的最大电压应力均为
V
DS
上式说明,½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
V
DS
愈小。所以,有源钳½正激变换器一个显著优点是可以降½开关管电压应力,从而可选用额
定电压较½、通态电阻较小的功率开关管。另外,½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,½占空比为
0.5
时,开关管承受最小的电压应力。½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½开关管承受的电压应力
基本保持恒定。
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