正激功率变换器磁复位技术分析研究

摘要：正激变换器的一个固有缺点是功率开关管截止期间变压器必须复位，而其本身又无复位能力，所以需要采用专门的复位措施。本文介绍了三种常用的磁复位技术和一种新颖的自动复位技术，并比较了它们的优缺点。

叙词：正激变换器 有源箝位 自动复位 电源

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

正激变换器是最简单的隔离降压式DC-DC变换器，在高功率，低压大电流电源模块技术发展日益迅速的今天，其拓扑形式越来越受到关注。但正激变换器的变压器励磁电感磁通在每个开关周期必须复位，以保持其伏秒数平衡和防止铁心饱和，而且励磁电感在饱和之前是不能储存太多的能量的。因为饱和变压器的行为就跟短路一样，所以在每个开关周期就必须用附加的电路来转移励磁电感中的能量，即采用去磁复位措施。下面将介绍几种去磁复位技术，分析它们的工作过程及优缺点，并对它们进行了比较。

2.多谐振复位技术

图1所示的是由一个谐振电感和谐振电容构成的零电压多谐振复位电路。该复位电路的优点是由于增加了一个谐振电感Lr和谐振电容Cs，可以获得所有器件的软开关，因此变换器可以工作在较高的频率，有利于减少磁性元件的体积，从而减少变换器的体积。而且输入电流波形较为平滑，EMI性能好。但也存在一些不足，由于谐振的原因，使得变压器原边主开关管漏源电压VDS的电压应力通常是输入电压的3-4倍，所以就需要耐压等级高的MOSFET，这无疑将增大MOSFET的导通损耗。

图1 零电压多谐振正激变换器

fig1.Forward　ZVS-MRC

3.RCD箝位技术

RCD箝位技术简单，价格低廉，在对变换效率要求不是很高的场合仍具有较大的使用价值。由电阻R，电容Cc和二极管Dc组成的RCD箝位复位电路及波形如图2所示。为了便于分析，假设输出滤波电感L，箝位电容Cc足够大，可分别按电流源Io和电压源Vc处理，在稳态工作时，每个PWM开关周期分为六个区间：

(1) t0~t1：S，D1导通，直流电源通过变压器向负载输出能量。在这段时间里箝位二极管Dc和续流二极管D2截止;

(2) t1~t2：在t1时刻S关断，D2将开通，D1中电流逐渐减小，D2中电流逐渐增大，S的输出电容Cs近似地看成由负载折算到原边的电流Io/N线性充电，直到Cs上电压为Vi为止;

(3) t2~t3：t2时刻，VDS上升到Vi，D1关断，D2导通，Cs继续由磁化电流Im充电，一直到t3时刻VDS=Vi+Vc;

(4) t3~t4：t3时刻Dc开通，VDS保持在Vi+Vc值上，磁化电流Im的变化率为-Vc/Lm，到t4时刻下降为零;

(5) t4~t5：t4时刻，磁化电流衰减到零，Dc关断，Lm与Cs开始谐振，Cs向Lm放电，一直持续到VDS降为Vi;

(6) t5~t0：在t5时刻，VDS=Vi，D1开通，磁化电流通过D1流动而保持恒定，这段死区时间变压器端电压为零。在t0时刻S再次开通，开始了新的一周期。

通过上述分析可知，变压器工作在一三象限，提高了铁芯利用率。根据据变压器伏秒面积平衡原理，钳位电容电压为：

上式中N为变压器匝比，Vo为输出电压，磁化电流地变化量为：

在t4~t5期间Lm与Cs谐振，Cs上能量的减少应等于Lm上能量的增加，即

，则磁化电流最小值：

磁化电流最大值为：

上式中Ton，Ts分别为导通时间、周期，Lm为磁化电感。

这种复位技术的优点是线路简单，占空比d>0.5，功率开关电压应力低。其不足是大部分能量消耗在箝位电阻中，不仅降低了效率，而且带来了散热设计的问题。

4.有源箝位技术

有源箝位技术省去了传统复位电路中所需的附加绕组或有能量消耗的RCD复位电路。其电路原理和波形图如图4所示。同样假设输出滤波电感L和箝位电容Cc足够大，将其作为电流源Io和电压源Vc处理，每个PWM周期可分为7个阶段，其中t0~t3与t6~t7阶段分别与RCD箝位的t0~t3和t5~t0阶段相同。下面仅分析不相同的t3~t6阶段。[p]

(1) t3~t4：t3时刻，Vds上升到箝位电压Vc与Vi之和Dc开通，设开关频率

，即箝位电压基本保持不变。

(2) t4~t5：t4时刻磁化电流降为零，随后变负，箝位开关Sc导通，Sc实现零电压ZVS开通。

(3) t5~t6：t5时刻，Lm与Cs开始谐振，以负值磁化电流放电，能量回馈到电网及转移到Lm中。

通过上述分析可知，功率开关S的电压应力为：

在相同的N、Vo下，当输入电源电压Vi增大时，占空比d减少，功率开关S电压应力变化不大，如图3所示。一般选dmax=0.75。该特点(d>0.5，但Vds变化不大)使得它很适用于宽输入电源电压的场合。

这种电路的优点是：1、变压器双向对称磁化，提高铁心利用率，减少体积与重量;2、占空比d>0.5，开关管电压应力低，适合输入电压范围比较宽的应用场合;3、箝位开关管是零电压开关;4、励磁能量和漏感能量全部回馈电网。其不足是：1、增加了一个箝位开关管，增加了控制电路的复杂性;2、在电路设计上需要给出一个与主开关功率管驱动电路隔离能给出可控占空比的驱动电路;3、主功率开关管的零电压开通明显与负载有关。

5.自动复位技术

有源箝位虽然有着许多优点，但是如果有源箝位电路设计不准确，在输入电压和负载瞬间变化时，尖峰箝位电压和励磁电流会使初级侧开关承受过大的电压应力并使铁芯饱和。另外可能会产生的一个问题是，当主开关开通时，瞬间的正向励磁电流会使箝位开关的体二级管导通，又由于箝位电容和箝位开关体二级管的低阻抗电流路径，这样Vi、Cc、Dc、S就形成了通路，导致整个电路的失败。而采用自动复位技术不会产生上述的问题，同样也可消除变压器饱和。其电路原理图如图5所示。图中所示的正激变换器包括箝位电容Cr，同步整流管S2。从图中可以看出，与有源箝位复位电路相比，电路没有增加任何元件。使用同步整流管的目的是为了获得效率的充分增加。

下面把一个开关周期分为4个工作模态进行分析，对应的等效电路如图6，图8所示的是其相应的波形。

(1)开关模态1(图6(a))

在t1时段，S1导通，D1导通，输入电流流过箝位电容，iLo流过二次绕组，幅值为一次侧电流的1/n ，箝位电容上电压VCr为：

二次侧绕组上的电压为：

(2)开关模态2 (图6(b))

在t2时段，S1关断，在此阶段，开关S1寄生电容上的能量，变压器的漏磁和励磁能量通过S2的体二极管向Cr释放。此过程可以确保在下一个开关周期开始前，开关管ZVS开关，而且变压器复位。二次侧储存在输出电感上的能量通过续流二极管D2流动，以此来给负载提供能量。

(3)开关模态3　(图6(c))

在t3 时段，S2开通，励磁电流流过初级侧，二次侧电流以-Vo/Lo的斜率线性下降，直到主开关管再次开通。

(4)开关模态4 (图6(d))

在t4时段，S1，S2均关断，S1的体二极管导通，在此阶段，S2上寄生电容储存的能量释放完毕，励磁电感完全复位。

箝位电容电压的平均值，初级侧励磁电流的平均值，以及输出电容电压和输出电感电流的平均值分别表示如下：

上面式中rs1为S1的导通电阻，rD1是D1的导通电阻，Ro是负载电阻。

通过以上分析，可知此复位技术可使变压器自动复位，除了具有有源箝位技术的有点外，主开关管实现零电压开通，同时使用的同步整流管S2，也是零压开通，提高效率。其不足是主开关管和同步整流开关驱动之间需要一个延时电路，若同步整流使用外驱动，虽然能提高效率，但也会增加控制电路的复杂性。资料[7]显示在输出电压1.2伏，输出电流为10A，自动复位技术的效率将大于有源箝位技术如图(8)所示。

6.结 语

本文介绍了几种正激变换器的磁复位技术，其中多谐振复位技术利用谐振技术使得所有开关管实现软开关，但同时带来了主开关管电压应力高，导通损耗增大的缺点。一般用在开关频率高于250KHZ的场合;RCD复位技术电路简单，但磁场能量被电阻白白消耗，效率低，且开关管还要承受较大的电压电流应力;有源箝位技术使得开关管不承受过大的应力，变压器双向对称磁化，铁芯利用率高。但主开关管是硬开通，存在开通损耗，适合输入电压范围较宽的场合;自动复位技术在有源箝位电路的基础上，不增加任何元器件，可以实现开关管的软开通，变压器同样工作在一三象限，磁介质利用充分，同时使用同步整流技术能够使得效率充分提高。[p]