有源箝位ZVSPWM控制串聯(lián)諧振變換器中提高同步整流效率的研究

摘要：最近，對(duì)帶有同步整流電路的有源箝位ZVS－PWM控制串聯(lián)諧振變換器的研究和應(yīng)用不斷取得進(jìn)展。不過(guò)，當(dāng)輸入電壓偏離特定值時(shí)，其效率會(huì)嚴(yán)重下降。通過(guò)對(duì)其各種工作模態(tài)轉(zhuǎn)換的分析，闡明了效率下降的原因。為解決這種效率下降，使用了帶有分立電感和耦合電感的倍流型同步整流電路模型，并分析了其穩(wěn)態(tài)特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，比較了中心抽頭型和耦合電感型效率變化曲線。最后，通過(guò)分析和比較，得出結(jié)論。提出了一個(gè)整流電路，在較大輸入電壓范圍內(nèi)和低輸出電壓，大輸出電流的負(fù)載條件（3.3V,5A）下獲得了85％的較高效率。

關(guān)鍵詞：有源箝位；串聯(lián)諧振；同步整流EfficiencyImprovementofSynchronousRectifierina

ZVSPWMControlledSeriesResonantConverterwithActiveClamp

1引言

開(kāi)關(guān)變換器在很多電子和通信設(shè)備的電源中得到廣泛應(yīng)用。近來(lái)，低輸出電壓和大輸出電流的負(fù)載條件對(duì)開(kāi)關(guān)變換器提出了新的要求。為了滿足這些要求，很多類型的諧振變換器已被提出和利用。然而，這些變換器的輸出電壓通常由開(kāi)關(guān)調(diào)制頻率所控制。因此，這導(dǎo)致了諸如最小開(kāi)關(guān)頻率限制了輸出濾波電容減小等問(wèn)題。為了消除這些限制，一種新穎的帶有源箝位電路ZVS－PWM控制的電流模式諧振變換器被提了出來(lái)[1，2]。這種變換器工作在一個(gè)固定的開(kāi)關(guān)頻率，其輸出電壓通過(guò)主開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)。其穩(wěn)態(tài)特性和ZVS條件在相關(guān)文獻(xiàn)中有詳細(xì)的討論[3～5]。但是，這種變換器在特定的輸入電壓下有較高的效率，當(dāng)輸入電壓偏離特定值時(shí)，效率會(huì)嚴(yán)重下降。

本文通過(guò)對(duì)這種變換器的各個(gè)工作模態(tài)轉(zhuǎn)換的分析，說(shuō)明了其效率下降的原因。通過(guò)分析可以說(shuō)明，當(dāng)輸入電壓偏離特定值時(shí)，發(fā)生了環(huán)流現(xiàn)象，導(dǎo)致了能量的回饋，效率下降。為解決這種問(wèn)題，使用了一種倍流型同步整流電路，它帶有分離電感或耦合電感兩種方案。這種整流電路在較大輸入電壓范圍和低輸出電壓、大輸出電流的情況下獲得了85％的效率。

2帶中心抽頭同步整流ZVSPWM控制的串

聯(lián)諧振變換器

帶中心抽頭同步整流ZVSPWM控制的串聯(lián)諧

圖1具有中心抽頭同步整流電路的有源箝位ZVSPWM控制串聯(lián)諧振變換器

圖2圖1所示變換器的關(guān)鍵波形

有源箝位ZVSPWM控制串聯(lián)諧振變換器中提高同步整流效率的研究

振變換器的電路拓?fù)淙鐖D1所示，其重要參量的波形見(jiàn)圖2。電路設(shè)計(jì)參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1變換器參數(shù)值Vin48V
CA1μF
LA73μH
S1,S2IRF540
Lr23.76μH
Cr33.4μF
諧振頻率(1/2π)(LrCr)－1/2178kHz
開(kāi)關(guān)頻率fs200kHz
匝比n13
S3,S4MTP13N50/
Co220μF
圖2中，有源箝位電路和主開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生方波電壓，其幅度隨主開(kāi)關(guān)管的占空比變化。這一幅度調(diào)制輸入電壓被加在由Lr和Cr組成的串聯(lián)諧振電路上。開(kāi)關(guān)頻率被選在稍高于諧振頻率處。由于串聯(lián)諧振電路有一很高的品質(zhì)因數(shù)，所以，電流的基波部分通過(guò)諧振支路，而諧波部分會(huì)被大大抑制。這樣，基波部分通過(guò)變壓器被輸出電路整流和濾波。開(kāi)關(guān)管S1和S2在留有一定的死區(qū)時(shí)間后交替導(dǎo)通。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，S1和S2的寄生電容通過(guò)諧振電流Ir和電感LA磁化電流被充電和放電而實(shí)現(xiàn)ZVS工作。

如果以D表示主開(kāi)關(guān)管S1的占空比，把輸出級(jí)和負(fù)載電阻RL看作一等效AC電阻RAC=8RL/π，輸出電壓Vo為Vo=(1)

式中：Zr=(nRAC＋Rr)2＋[ωsLr－1/(ωsCr)]2

ωs=2πfs;（2）

Rr是串聯(lián)諧振支路中的寄生串聯(lián)電阻。

在此變換器中，最大效率88.6％是在輸入電壓為48V的時(shí)候獲得的。然而，當(dāng)輸入電壓偏離48V的時(shí)候，效率會(huì)嚴(yán)重下降。

3效率下降原因分析

31變換器的工作狀態(tài)

圖3給出了變換器所有可能的工作模態(tài)。表2給出了在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期里的所有可能的工作模式和每一模式中模態(tài)轉(zhuǎn)換次序。在圖3中，模態(tài)1和模態(tài)3表示能流從輸入端傳送到輸出端。模態(tài)2和模態(tài)4對(duì)應(yīng)于在模態(tài)1和模態(tài)3之間的過(guò)渡狀態(tài)。模態(tài)5和模態(tài)6表示能流從輸出電容反饋到輸入端。這種能流回饋狀態(tài)是同步整流所特有的。在二極管整流電路中，只有能流前饋，即能量從輸入端流到輸出邊的狀態(tài)，而沒(méi)有能流回饋狀態(tài)，即能量從輸出端回流到輸入端。然而，在用MOSFET作同步整流的電路中，當(dāng)柵源電壓vgs大于閾值時(shí)，MOSFET會(huì)一直保持開(kāi)通。因此，圖3中模態(tài)5及模態(tài)6能量回饋的現(xiàn)象出現(xiàn)了。環(huán)流增加了能量損耗，導(dǎo)致效率的下降。產(chǎn)生環(huán)流的波形如圖4所示。

32占空比D的范圍

能流回饋現(xiàn)象依賴于主開(kāi)關(guān)管的占空比。于是，抑制能流回饋現(xiàn)象出現(xiàn)的合適占空比即是在模式Ⅱ中，必須在模態(tài)5出現(xiàn)之前直接從模態(tài)3到模態(tài)4。據(jù)這一條件，則模態(tài)3必須在1/（2fr）內(nèi)完成，即必須在一半諧振周期內(nèi)完成模態(tài)3。fr由Lr，Cr決定，若開(kāi)關(guān)周期由Ts表示，則這一關(guān)系由下式表示

(a)模態(tài)1

(b)模態(tài)2

(c)模態(tài)3

(d)模態(tài)4

(e)模態(tài)5

圖4產(chǎn)生環(huán)流的波形（Vin=60V）

(f)模態(tài)6

模態(tài)6的出現(xiàn)。因此有

（1－D）Ts1/（2fr）（4）

考慮到Ts=1/fs，則式（3）和式（4）決定了占空比D的范圍

[1－fs/（2fr）]Dfs/（2fr）（5）

從式（5）中可以看出，擴(kuò)大占空比范圍的最簡(jiǎn)單方式是增大開(kāi)關(guān)頻率fs。然而，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs偏離諧振頻率太大時(shí)，則輸出電壓會(huì)按式（1）和式（2）的規(guī)律下降。如用表1中的數(shù)值，則占空比的范圍計(jì)算結(jié)果是

0.44D0.56（6）

對(duì)于由式（6）所給的占空比，變換器能恰好工作于沒(méi)有能量環(huán)流的狀態(tài)。然而，當(dāng)輸入電壓變化范圍和負(fù)載范圍變化更大時(shí)，為了調(diào)節(jié)輸出電壓，必須要擴(kuò)大占空比的范圍。為避免在擴(kuò)大占空比的范圍時(shí)導(dǎo)致效率的急劇下降，則必須采取新的方法來(lái)克服這種情況。

表2變換器工作模式模式模態(tài)轉(zhuǎn)換次序條件
Ⅰ1－2－3－5－1D=0.4(Vin=60V)
Ⅱ1－2－3－4－1D=0.5(Vin=48V)
Ⅲ1－6－3－4－1D=0.6(Vin=40V)
4提高效率的兩種方案

41倍流型整流電路

為避免效率下降,我們使用了一種倍流[6]同步整流電路的ZVSPWM控制串聯(lián)諧振變換器,如圖5所示。這種變換器的工作模態(tài)見(jiàn)圖6。其仿真參數(shù)值與表1給出的基本相同，兩個(gè)電感LO1和LO2仿真參數(shù)是7μH。變換器的模態(tài)轉(zhuǎn)換順序總是1－2－3－4。在這種整流電路中，能流回饋現(xiàn)象不再存在。因而，效率下降的原因被消除了。其工作模態(tài)簡(jiǎn)要介紹如下：

1）模態(tài)1這一模態(tài)表示了從S4到S3換流的過(guò)

圖3圖1所示變換器的工作模態(tài)

圖5具有倍流同步整流電路的ZVSPWM控制串聯(lián)諧振變換器

程。當(dāng)輸入電壓反向時(shí)，諧振電流下降幅度很大。諧振電流耦合到變壓器副邊，其值將小于輸出電感電流值iLO2，開(kāi)關(guān)管S3的體二極管導(dǎo)通；變壓器電壓變?yōu)榱悖琒4關(guān)斷。然而，S4的體二極管卻是開(kāi)通的，這樣，諧振電流繼續(xù)減少，自然，對(duì)于在變壓器電壓變?yōu)榱阒暗碾娏鱽?lái)說(shuō)，則是反方向增加。當(dāng)這一電流增加到比輸出電感電流iLO1還大時(shí)，S4的體二極管關(guān)斷。這一模態(tài)變化到下一模態(tài)。

2）模態(tài)2在這一時(shí)間段，開(kāi)關(guān)管S4關(guān)斷，S3由于變壓器電壓保持導(dǎo)通。這樣，輸出電感iLO1通過(guò)諧振電流充電。這是能流從輸入端傳到輸出端的過(guò)程。

3）模態(tài)3這一模態(tài)和模態(tài)1對(duì)稱。這時(shí)開(kāi)關(guān)管S3換向到S4。

4）模態(tài)4同樣，這一模態(tài)和模態(tài)2對(duì)稱。S4保持開(kāi)通，輸出電感iLO2被諧振電流充電。這也是能流從輸入端傳到輸出端的過(guò)程。

在這一方案中，模態(tài)1和模態(tài)3是由于存在由Lr，Cr組成的諧振電路的存在而出現(xiàn)的。同步整流MOSFET在諸如模態(tài)1和模態(tài)3這樣的死區(qū)間隔內(nèi)工作。因此，S3和S4的ZVS實(shí)現(xiàn)了。如果沒(méi)有這一串聯(lián)諧振電路，將不會(huì)出現(xiàn)模態(tài)1和模態(tài)3；那么，由于在模態(tài)2和模態(tài)4之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短且轉(zhuǎn)換電壓電流幅度大，將會(huì)由于存在寄生參數(shù)而造成很大的開(kāi)關(guān)噪聲。

42帶耦合電感倍流型整流電路

在圖5所示變換器中，其輸出電感是獨(dú)立的。為了減少磁芯的數(shù)目，如果讓這兩個(gè)電感耦合到一起，如圖7所示，則其工作模態(tài)分析如圖8所示。參數(shù)值和工作模態(tài)轉(zhuǎn)換順序和前面分析相似。在這種整流電路中，能量回饋現(xiàn)象不再出現(xiàn)。同樣，效率下降的原因也被消除了。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和對(duì)輸出電流和輸入電壓各個(gè)采樣點(diǎn)的分析，計(jì)算出的效率曲線比較圖如圖9所示。從中心抽頭型，倍流帶獨(dú)立輸出電感型和倍流帶偶合輸出電感型三種電路的效率特性比較中可以看出：通過(guò)倍流整流技術(shù)，在輕載條件下，效率得到了提高，如圖9(a)所示。另外用倍流型電路后，當(dāng)輸入電壓偏離48V時(shí)，對(duì)效率提高有了很大的作用，在負(fù)載為3.3V和5A，且輸入電壓在從40V到60V這一大范圍內(nèi)變化時(shí)，仍獲得了高于85％的效率，如圖9(b)所示。

5結(jié)語(yǔ)

電流諧振工作模式被認(rèn)為對(duì)開(kāi)關(guān)變換器的高效率設(shè)計(jì)非常有效。然而，在中心抽頭型同步整流電路

圖6圖5中所示變換器的工作模態(tài)

(a)模態(tài)1

(b)模態(tài)2

(c)模態(tài)3

(d)模態(tài)4

圖7具有帶耦合電感的倍流同步整流電路的ZVSPWM控制串聯(lián)諧振變換器

(a)模態(tài)1

(b)模態(tài)2

(c)模態(tài)3

(d)模態(tài)4
圖8圖7中所示變換器的工作模態(tài)

中，當(dāng)輸入電壓偏離特定值時(shí)，效率會(huì)下降。同時(shí)也說(shuō)明了效率下降的原因是能量回饋給輸入端所致。為解決此問(wèn)題，倍流型同步整流電路被提出用于ZVS－PWM串聯(lián)諧振變換器，從而使效率下降的原因被消除，在負(fù)載為3.3V和5A，且輸入電壓在從40V到60V這一范圍內(nèi)變化時(shí)，得到了85％的效率。