有源箝位正激变换器之理论分析与设计方法

　　DC/DC钳位正激拓扑非常适合中小功率的DC/DC变换器电源设计。本文给出了有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法。一台应用于通讯设备，宽范围输入电压的150W电源被设计出来，实验结果证实了理论分析。

　　1 引言

　　单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。当今，节能和环保已成为全球对耗能设备的基本要求。所以，供电单元的效率和电磁兼容性自然成为开关电源的两项重要指标。而传统的单端正激拓扑，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬开关工作模式，决定了该电路存在一些固有的缺陷：变压器体积大，损耗大；开关器件电压应力高，开关损耗大；dv/dt和di/dt大，EMI问题难以处理。

　　为了克服这些缺陷，文献[1][2][3]提出了有源钳位正激变换器拓扑，从根本上改变了单端正激变换器的运行特性，并且能够实现零电压软开关工作模式，从而大量地减少了开关器件和变压器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了电磁兼容性。因此，有源钳位正激变换器拓扑迅速获得了广泛的应用。

　　然而，有源钳位正激变换器并非完美无缺，零电压软开关特性也并非总能实现。因而，在工业应用中，对该电路进行优化设计显得尤为重要。本文针对有源钳位正激变换器拓扑，进行了详细的理论分析，指出了该电路的局限性，并给出了一种优化设计方法。

　　2 正激有源钳位变换器的工作原理

　　如图1所示，有源钳位正激变换器拓扑与传统的单端正激变换器拓扑基本相同，只是增加了辅助开关Sa（带反并二极管）和储能电容Cs，以及谐振电容Cds1、Cds2，且略去了传统正激变换器的磁恢复电路。磁饱和电感Ls用来实现零电压软开关，硬开关模式用短路线替代。开关S和Sa工作在互补状态。为了防止开关S和Sa共态导通，两开关的驱动信号间留有一定的死区时间。下面就其硬开关工作模式和零电压软开关工作模式分别进行讨论。为了方便分析，假设：

　　1）储能电容Cs之容量足够大以至于其上的电压Vcs可视为常数；

　　2）输出滤波电感Lo足够大以至于其中的电流纹波可忽略不计；

　　3）变压器可等效成一个励磁电感Lm和一个匝比为n的理想变压器并联，并且初次级漏感可忽略不计；

　　4）所有半导体器件为理想器件。

　　2.1 有源钳位正激变换器硬开关工作模式

　　硬开关的有源钳位正激变换器工作状态可分为6个工作区间，关键工作波形如图2(a)所示。

　　[t0～t1]期间主开关S导通，辅助开关Sa断开。变压器初级线圈受到输入电压Vin的作用，励磁电流线性增加，次级整流管导通并向负载输出功率。t1时刻，主开关S断开。

　　[t1～t2]期间负载折算到变压器初级的电流Io＊和励磁电流im给电容Cds1充电和Cds2放电，电压Vds1迅速上升。t2时刻，Vds1上升到Vin，变压器输出电压为零，负载电流从整流管D3转移到续流管D4。

　　[t2～t3]期间只有励磁电流im通过Lm、Cds1、Cds2继续谐振，并在t3时刻Vds1达到(Vin＋Vcs)。辅助开关Sa的反并二极管D2导通，励磁电流给电容Cs充电并线性减小，此时，可驱动辅助开关Sa。

　　[t3～t4]期间变压器初级线圈受到反向电压Vcs的作用，励磁电流由正变负。t4时刻，Sa断开。

　　[t4～t5]期间电容Cds1、Cds2与Lm发生谐振，并在t5时刻电压Vds1下降到Vin，变压器磁芯完成磁恢复。

　　[t5～t0′]期间次级整流管导通，变压器次级绕组短路，给励磁电流提供了通道。在此期间，Vds1维持在Vin，励磁电流保持在－Im(max)。t0′时刻，主开关S被驱动导通，下一个开关周期开始。

　　很明显，有源钳位正激变换器的变压器磁芯工作在一、三象限，变换器工作占空比可超过50％。由于电容Cds1、Cds2的存在，开关S和Sa均能自然零电压关断，而且Sa能实现零电压导通。但主开关管S工作在硬开关状态。

　　2.2 有源钳位正激变换器零电压软开关模式

　　从上面的分析可明显地看出，当变压器励磁电感Lm减小，励磁电流足够大时，[t5～t0′]期间励磁电流除了能提供负载电流外，剩余部分可用来帮助电容Cds2、Cds1充放电。电压Vds1有可能谐振到零，从而实现主功率开关管S的零电压软开通。二极管D1可为负的励磁电流续流。关键工作波形如图2（b）所示，具体的软开关条件将在下一节中详细讨论。很显然，软开关的代价是变压器励磁电流和开关管导通电流峰值大幅增加，开关管及变压器电流应力和通态损耗明显加大。

　　2.3 应用磁饱合电感器实现零电压软开关

　　为了克服上述零电压软开关工作时电流应力过大的缺点。可以在变压器次级整流二极管上串联一个磁饱和电感Ls，如图1所示。当电压Vds1下降到Vin时，[t5～t0′]期间磁饱和电感Ls瞬时阻断整流二极管，使得变压器励磁电流不必负担负载电流，而可完全用来给电容Cds2、Cds1充放电。这样，不必大量减小变压器励磁电感，较小的励磁电流就可以保证电压Vds1谐振到零，实现主功率开关管的零电压软开通。