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计中

2、。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/d t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器的功耗，降低了

3、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。磁饱和电感Ls用来实现零电压软开

4、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开关工作模式? 硬开关的有源钳位正激变换器工作

5、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。? tit 2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。? t 2t 3期间只有励磁电流i m通过Lm、Cdsi、Cds2继续谐振，并在t 3时刻 Vdsi达到(Vn + VCs)。辅助开关Sa的反并二极管D2导

6、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 器工作占空比可超过50%。由于电容Cdsl、Cds2的存在

7、，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

8、。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

9、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，

10、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。? t 4t 5期间等效电路如图4所示。相应的电路微分方程是：? Vn=LCds+ Vdsl (4)如I L?=(5)?九 r=V

11、Ds (6)图4? t4t 5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)式中：OW t < t5 t4。? © =arctana -/)> 人± (10)? Cds=Cds1 + Cds2 ( 11)I? 3 厂忑(12)t5时刻，即当? t =t 5 t 4=t a=(13) ? Vds1=Vin? Im(max=设 K= wTs=f (14)h. 血"JC i . i? I m(max=l mp &quo

12、t; ”用=? t5t。期间等效电路如图5所示。相应的电路微分方程是: ? Vn=LCds 拧 + Vds1 ( 16)盛|2_?山=二(| o I m(max) ( 17) ?矗 C=Vn ( 18)图5? t5tO '期间的等效电路微分方程的解为：? Vdsi=% sin 3t+ Vn (19)k*? i n=- (I m(max) I o )cos 3t I o (20)式中：0W t W to' t 5；? Io* =；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:? (Im(max) I o )Cds w

13、V in(21)?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.? t b= 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:?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Sa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】> t 5to'期间，等 效电路同图4。显

14、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，I m(max)> Cds ®V in，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 f s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和最大励磁电 流I m(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

15、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f s。设计步骤如下:? 1）根据输出功率P。、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

16、数K。? 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 w KiVds （27）? Vds"心厂心 w KiVds （ 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（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,m。4? 设计实例和实验结果?应用上述

17、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 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=44

18、0Vo 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Dorm考虑整流管压降和输出电感损耗，取 Vo为13V,据式（27）、（ 28）求出: nW 15,取 n=13.3。贝U: Dnax=0.524 , 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731V°S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