正激功率變換器磁復(fù)位技術(shù)分析研究

摘要：正激變換器的一個(gè)固有缺點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)管截止期間變壓器必須復(fù)位，而其本身又無(wú)復(fù)位能力，所以需要采用專門的復(fù)位措施。本文介紹了三種常用的磁復(fù)位技術(shù)和一種新穎的自動(dòng)復(fù)位技術(shù)，并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

敘詞：正激變換器 有源箝位 自動(dòng)復(fù)位 電源

Abstract：The essential drawback of forward power converter is its flux of transformer has to be rested during the transistor off time. And itself has no capability of reset. So it need a special method for resetting. Three common flux reset technologies and a novel auto-reset method are introduced in this paper. Also its advantages and drawbacks are compared.

Keyword：forward converter active-clamp auto-reset

1.引 言

正激變換器是最簡(jiǎn)單的隔離降壓式DC-DC變換器，在高功率，低壓大電流電源模塊技術(shù)發(fā)展日益迅速的今天，其拓?fù)湫问皆絹?lái)越受到關(guān)注。但正激變換器的變壓器勵(lì)磁電感磁通在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期必須復(fù)位，以保持其伏秒數(shù)平衡和防止鐵心飽和，而且勵(lì)磁電感在飽和之前是不能儲(chǔ)存太多的能量的。因?yàn)轱柡妥儔浩鞯男袨榫透搪芬粯?，所以在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期就必須用附加的電路來(lái)轉(zhuǎn)移勵(lì)磁電感中的能量，即采用去磁復(fù)位措施。下面將介紹幾種去磁復(fù)位技術(shù)，分析它們的工作過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)它們進(jìn)行了比較。

2.多諧振復(fù)位技術(shù)

圖1所示的是由一個(gè)諧振電感和諧振電容構(gòu)成的零電壓多諧振復(fù)位電路。該復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)是由于增加了一個(gè)諧振電感Lr和諧振電容Cs，可以獲得所有器件的軟開(kāi)關(guān)，因此變換器可以工作在較高的頻率，有利于減少磁性元件的體積，從而減少變換器的體積。而且輸入電流波形較為平滑，EMI性能好。但也存在一些不足，由于諧振的原因，使得變壓器原邊主開(kāi)關(guān)管漏源電壓VDS的電壓應(yīng)力通常是輸入電壓的3-4倍，所以就需要耐壓等級(jí)高的MOSFET，這無(wú)疑將增大MOSFET的導(dǎo)通損耗。

圖1 零電壓多諧振正激變換器

fig1.Forward　ZVS-MRC

3.RCD箝位技術(shù)

RCD箝位技術(shù)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在對(duì)變換效率要求不是很高的場(chǎng)合仍具有較大的使用價(jià)值。由電阻R，電容Cc和二極管Dc組成的RCD箝位復(fù)位電路及波形如圖2所示。為了便于分析，假設(shè)輸出濾波電感L，箝位電容Cc足夠大，可分別按電流源Io和電壓源Vc處理，在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期分為六個(gè)區(qū)間：

(1) t0~t1：S，D1導(dǎo)通，直流電源通過(guò)變壓器向負(fù)載輸出能量。在這段時(shí)間里箝位二極管Dc和續(xù)流二極管D2截止;

(2) t1~t2：在t1時(shí)刻S關(guān)斷，D2將開(kāi)通，D1中電流逐漸減小，D2中電流逐漸增大，S的輸出電容Cs近似地看成由負(fù)載折算到原邊的電流Io/N線性充電，直到Cs上電壓為Vi為止;

(3) t2~t3：t2時(shí)刻，VDS上升到Vi，D1關(guān)斷，D2導(dǎo)通，Cs繼續(xù)由磁化電流Im充電，一直到t3時(shí)刻VDS=Vi+Vc;

(4) t3~t4：t3時(shí)刻Dc開(kāi)通，VDS保持在Vi+Vc值上，磁化電流Im的變化率為-Vc/Lm，到t4時(shí)刻下降為零;

(5) t4~t5：t4時(shí)刻，磁化電流衰減到零，Dc關(guān)斷，Lm與Cs開(kāi)始諧振，Cs向Lm放電，一直持續(xù)到VDS降為Vi;

(6) t5~t0：在t5時(shí)刻，VDS=Vi，D1開(kāi)通，磁化電流通過(guò)D1流動(dòng)而保持恒定，這段死區(qū)時(shí)間變壓器端電壓為零。在t0時(shí)刻S再次開(kāi)通，開(kāi)始了新的一周期。

通過(guò)上述分析可知，變壓器工作在一三象限，提高了鐵芯利用率。根據(jù)據(jù)變壓器伏秒面積平衡原理，鉗位電容電壓為：

上式中N為變壓器匝比，Vo為輸出電壓，磁化電流地變化量為：

在t4~t5期間Lm與Cs諧振，Cs上能量的減少應(yīng)等于Lm上能量的增加，即

，則磁化電流最小值：

磁化電流最大值為：

上式中Ton，Ts分別為導(dǎo)通時(shí)間、周期，Lm為磁化電感。

這種復(fù)位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，占空比d>0.5，功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低。其不足是大部分能量消耗在箝位電阻中，不僅降低了效率，而且?guī)?lái)了散熱設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

4.有源箝位技術(shù)

有源箝位技術(shù)省去了傳統(tǒng)復(fù)位電路中所需的附加繞組或有能量消耗的RCD復(fù)位電路。其電路原理和波形圖如圖4所示。同樣假設(shè)輸出濾波電感L和箝位電容Cc足夠大，將其作為電流源Io和電壓源Vc處理，每個(gè)PWM周期可分為7個(gè)階段，其中t0~t3與t6~t7階段分別與RCD箝位的t0~t3和t5~t0階段相同。下面僅分析不相同的t3~t6階段。