正激功率變換器磁復(fù)位技術(shù)分析研究

摘要：正激變換器的一個固有缺點是功率開關(guān)管截止期間變壓器必須復(fù)位，而其本身又無復(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)和一種新穎的自動復(fù)位技術(shù)，并比較了它們的優(yōu)缺點。

敘詞：正激變換器 有源箝位 自動復(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，其拓撲形式越來越受到關(guān)注。但正激變換器的變壓器勵磁電感磁通在每個開關(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，而且勵磁電感在飽和之前是不能儲存太多的能量的。因為飽和變壓器的行為就跟短路一樣，所以在每個開關(guān)周期就必須用附加的電路來轉(zhuǎn)移勵磁電感中的能量，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)，分析它們的工作過程及優(yōu)缺點，并對它們進行了比較。

2.多諧振復(fù)位技術(shù)

圖1所示的是由一個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)點是由于增加了一個諧振電感Lr和諧振電容Cs，可以獲得所有器件的軟開關(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高的MOSFET，這無疑將增大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)簡單，價格低廉，在對變換效率要求不是很高的場合仍具有較大的使用價值。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，每個PWM開關(guān)周期分為六個區(qū)間：

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

(2) t1~t2：在t1時刻S關(guān)斷，D2將開通，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時刻VDS=Vi+Vc;

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

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

(6) t5~t0：在t5時刻，VDS=Vi，D1開通，磁化電流通過D1流動而保持恒定，這段死區(qū)時間變壓器端電壓為零。在t0時刻S再次開通，開始了新的一周期。

通過上述分析可知，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)通時間、周期，Lm為磁化電感。

這種復(fù)位技術(shù)的優(yōu)點是線路簡單，占空比d>0.5，功率開關(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)砹松嵩O(shè)計的問題。

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PWM周期可分為7個階段，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。