正激变换器中有源钳位复位电路的分析

正激变换器中有源钳位复位电路的分析

1标准rcd钳位开关nf开关-开放系统以保护由于其简单的易于操作，正激变换器广泛应用于电源行业。然而，当开关压塞关闭时，变量必须重新配置。传统的复位方法包括:使用第三个复位绕组、RCD钳位电路以及无损LCD缓冲器。采用第三个复位绕组,变压器的磁场能量可以无损地回馈电网。缺点在于:①MOSFET上的电压应力典型值为2.6Uin,max,一般认为这样的电压应力比较高。②复位绕组增加了电路的复杂性,变压器的成本相应提高。③占空比d低于50%,不适合宽范围输入电压。无损LCD缓冲器把磁场能量和漏磁能量回馈给电网,可以获得高效率。然而,开关频率fs>30kHz时,LC谐振电流太大使得导通损耗增加。因此这种方法通常用于fs=20kHz,且当输入电压高的时候,电感的体积太大。要求低设计成本时,RCD钳位是一个很好的选择。其优点是电路简单,占空比d可以大于50%,低电压应力等等。然而钳位电阻R消耗功率,功率损耗不仅降低效率,而且带来了散热设计问题。和传统的复位方法比较,有源钳位方法有许多优点:①变压器双向对称磁化,工作在B-H回线的第一和第三象限,变压器得到充分利用,占空比可大于0.5,开关管的电压应力低,适合于输入电压范围比较宽的应用场合。②钳位开关管是零电压开关。③励磁能量和漏感能量全部回馈电网。有源钳位也有缺点:主开关S1是硬开通的,因此存在开通损耗。图1为有源钳位拓扑,由钳位电容C1,钳位开关管S2组成。这个电路有两个优点:首先,开关的电压容差降低了,第二,变压器得以复位。同步整流管减少了传统上使用肖特基二极管整流时的导通压降。采用了自驱机制,可以减少由于使用MOSFETs(S3,S4)所引入的复杂性。2常用的低通插装阀工作波形为简化分析,假设输出滤波电感Lf足够大,可以用一个恒流源I0表示。假设所有的半导体器件都是理想的。变压器等效为励磁电感Lm(漏电感忽略)和匝数比为n=Np/Ns的理想变压器,如图2所示。仅仅考虑有源开关S1的漏极和源极之间的电容CS,其他的寄生参数忽略。辅助开关S2仅仅考虑反并联二极管,而其他寄生参数忽略。得到有源钳位正激变换器的等效电路,如图2所示。图3给出了主要的工作波形。下面把一个开关周期TS分为7个开关模态进行分析,如图4所示。2.1s1开启情况下开关电流及其励磁电流成接力t0时刻主开关S1开启,它是硬开通,存在开通损耗。在变压器辅助绕组S3上的感应电压开启S3,S2处于关闭状态,功率通过变压器传输到二次侧。同时,正的输入电压Uin施加在变压器一次侧,励磁电流iM从IM-开始线性增加。S1开启时,开关电流iS1等于一次侧电流ip和励磁电流iM之和。励磁电流和一次侧电流分别为iΜ(t)=ΙΜ(-)+UinLΜ(t-t0)(1)iS1=Ι0n+iΜ(t)=Ι0n+ΙΜ(-)+UinLΜ(t-t0)(2)iM(t)=IM(−)+UinLM(t−t0)(1)iS1=I0n+iM(t)=I0n+IM(−)+UinLM(t−t0)(2)t1时刻,励磁电流为iΜ(t1)=ΙΜ(-)+UinLΜ⋅t01(3)iM(t1)=IM(−)+UinLM⋅t01(3)t01是开关S1的开启时间Ton,S1的开关周期是TS,占空比是Dy,则有t01=Τon=Dy⋅ΤS(4)t01=Ton=Dy⋅TS(4)2.2两端电压及耦合S1在t1时刻被零电压关断时,S3继续导通。此时折算到一次侧的负载电流I0/n和励磁电流iM同时给主开关的结电容CS充电。因为充电电流相当大,而CS相对较小,这个过程可以当作一个线性充电阶段。US1很快上升到Uin。结电容两端电压为UCS(t)=1CS⋅Ι0n⋅(t-t1)(5)UCS(t)=1CS⋅I0n⋅(t−t1)(5)励磁电流为iΜ(t)=iΜ(t1)+UinLΜ(t-t1)-12LΜCS⋅Ι0n(t-t1)2(6)iM(t)=iM(t1)+UinLM(t−t1)−12LMCS⋅I0n(t−t1)2(6)t2时刻,当CS电压上升到输入电压Uin,模态2结束。持续时间是t12=nCSUin/Ι0(7)t12=nCSUin/I0(7)这时,励磁电流达到了最大值IM(+)ΙΜ(+)=ΙΜ(-)+UinLΜ⋅Τon+nCSU2in2LΜΙ0(8)IM(+)=IM(−)+UinLM⋅Ton+nCSU2in2LMI0(8)2.3电容两端电压和励磁电流的变化在这个阶段,由于CS的电压(US1)继续上升,加在变压器一次绕组的电压变为负,因此二次绕组的电压也变为负。S3关闭而S4导通以维持负载电流,变压器不再向负载传输能量,一次侧也只有励磁电流。这时,结电容CS开始同励磁电感Lm发生谐振,US1继续上升,IM(+)开始减小,电容两端电压和励磁电流分别为UCS(t)=Uin+ΙΜ(+)⋅ΖΜ⋅sinωΜ(t-t2)(9)ip(t)=iΜ(t)=ΙΜ(+)⋅cosωΜ(t-t2)(10)UCS(t)=Uin+IM(+)⋅ZM⋅sinωM(t−t2)(9)ip(t)=iM(t)=IM(+)⋅cosωM(t−t2)(10)式中,ΖΜ=√LΜ/CSZM=LM/CS−−−−−−√是励磁电感与结电容的特征阻抗,ωΜ=1/√LΜ⋅CSωM=1/LM⋅CS−−−−−−√是励磁电感与结电容的谐振角频率。在t3时刻,结电容电压上升到UCS=Uin+UC1,开关模态3结束。持续时间为t23=1ωΜsin-1(UC1ΙΜ(+)⋅ΖΜ)(11)此时励磁电流为ip(t3)=iΜ(t3)=ΙΜ(+)⋅√1-(UC1ΙΜ(+)⋅ΖΜ)(12)2.4继续回流同步整流管s1t3时刻,结电容CS电压US1上升到输入电压Uin和钳位电容C1上电压的总和时,钳位二极管VDS2导通。负载电流继续流过同步整流管S4,此时加在变压器一次绕组上的电压为-UC1,励磁电流开始线性减小。由于VDS2导通,钳位开关管S2的电压被钳位至零,所以钳位开关管S2可以被零电压开通。在t4时刻,励磁电流下降至零,开关模态4结束。持续时间和励磁电流分别为t34=LΜ⋅iΜ(t3)/UC1(13)iΜ(t)=iΜ(t3)-UC1LΜ(t-t3)(14)2.5s1零电压关断在这个阶段,钳位二极管自然截止,励磁电流开始经过钳位开关管S2反向流动。当励磁电流为-Ip(t3)时,关断S2。由于钳位电容C1和结电容CS的存在,两端电压不能突变,因此S2零电压关断。励磁电流和持续时间分别为iΜ(t)=-UC1LΜ(t-t4)(15)t45=LΜ⋅iΜ(t3)UC1(16)2.6开关模态6S2关断后,励磁电流流过结电容CS,CS开始放电,励磁电流继续反向增加。UCS(t)=Uin+UC1⋅cosωΜ(t-t5)-ΖΜ⋅sinωΜ(t-t5)(17)iΜ(t)=-ip(t3)⋅cosωΜ(t-t5)-UC1ΖΜ⋅sinωΜ(t-t5)(18)当结电容CS电压下降到输入电压Uin时,开关模态6结束。它的持续时间为t56=1ωΜtg-1(UC1ΖΜ⋅ip(t3))(19)此时励磁电流为ΙΜ(-)=-ip(t3)⋅cosωΜt56-UC1ΖΜ⋅sinωΜt56(20)2.7s1和s1同时导通在此阶段,结电容CS电压有继续下降的趋势,变压器一次侧电压继续为正,二次绕组电压也变为正,同步整流管S3开通。同步整流管S4继续导通,因为一次侧电流太小不能提供负载电流。因此S3和S4同时导通,二次侧电压钳位至零,一次侧电压也为零。变压器的励磁电流保持不变,流经整流管S3。即ip=0。根据变压器一、二次侧电流关系,流过整流管S3的电流为iS3=-nΙΜ(-)(21)流过整流管S4的电流为iS4=Ι0-iS3=Ι0+nΙΜ(-)(22)t7时刻,开通开关管S1,开始下一个开关周期。3设计要求和示例根据上面的分析,下面讨论有源钳位正激变换器的参数设计。3.1词n-dy,u1-u123开关管通信接口为了确保变压器能够复位,一次绕组所加正负电压伏秒面积必须相等。由于开关模态2、3和6的时间相对于开关模态1、4和5来说很短,为简化分析,将其忽略,则UC1=UinDy1-Dy=nUo1-Dy(23)在输入电压最小时,占空比达到最大值,此时用于变压器复位的时间最短。为了在最短的时间内完成磁复位,钳位电容电压最大值为UC1max=nUo1-Dymax(24)开关管S1关断时能承受的电压是US1=Uin+UC1(25)从上式可以看出,输入电压越低,钳位电压UC1越高。即US1基本保持不变。也就是说,开关管S1所承受的电压应力基本与输入电压无关,这比采用复位绕组时开关管的电压应力要小。当S3和S4关断时,它们所承受的电压为US3=US4=Uin+UC1n(26)3.2工作原理在前面的分析中,假定C1非常大,其电压基本保持不变。在实际应用电路中,钳位电容的电压UC1有一定波动。在[t3,t4]时段,钳位电容充电,电压升高;在[t4,t5]时段,钳位电容放电,电压降低。电压波动为ΔUC1=1C1∫t4t3[iΜ(t3)-UC1LΜ(t-t3)]dt=LΜΙ2Μ(+)2UC1C1(27)如果不考虑开关模态2、3和6对励磁电流的影响,有ΙΜ(+)=UinDyΤS2LΜ=nUoΤS2LΜ(28)将式(28)和(23)代入(27),则有ΔUC1=nUoΤ2S(1-Dy)8LΜC1(29)ΔUC1和UC1的比值是:ΔUC1UC1=[(1-Dy)ΤS]28LΜC1(30)ΔUC1UC1|max为Τ2S8LΜC1,如果取比值ΔUC1UC1|max≤10%则有C1≥5Τ2S4LΜ(31)为了验证研究结果,将图1所示有源钳位正激变换器用PSPICE仿真分析。所用参数设置如下:Uin=48VDC,Lf=5μH,Cf=100μF,C1=2μF,LM=7μH,RL=1Ω,fs=300kHz,n=4∶1,Uo=5V,S1为IRF640,S2、S3、S4为IRF150。图5给出了主要仿真波形。图5a、b、c、d分别为UdS1(t)、Iprimary(t