《正激有源钳位分析报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正激有源钳位分析报告（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法2009年07月14日17:48深圳华德电子有限公司 作者：刘耀平 用户评论(0)关键字：亞盒I更匮ms有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法摘要：零电压软开关有源钳位正激变换器拓扑非常适合中小功率开关电源的设计。增加变压器励磁电流或应用磁饱和电感均能实现零电压软开关工作模式。基于对零电压软开关有源钳位正激变换器拓扑的理论分析，提出了一套实用的优化设计方法。实验结果验证了理论分析和设计方法。关键词：有源钳位；正激变换器；零电压软开关i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
2、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123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
3、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Cdsl、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
4、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：D:图1采用磁饱和电感的有源钳位正激软开关变换器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。toti期间主开关S导
5、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。ti时刻，主开关S断开。t1t2期间负载折算到变压器初级的电流Io水和励磁电流im给电容Cdsl 充电和Cds2放电，电压Vds1迅速上升。t2时刻，Vds1上升到Wn，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住2上3】期间只有励磁电流im通过Lm、Cdsl、Cds2继续谐振,并在上3时 刻Vdsl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。t3t4期间变压器初级线圈受到反向电压Vcs
6、的作用，励磁电流由正变负。t4时刻，刍断开。t4上5期间电容Gs1、Cds2与Lm发生谐振，并在t5时刻电压Vds1下降 到Mn，变压器磁芯完成磁恢复。t5to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，励磁电流保持在一 Im(max)。t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。(a)硬开关工作波形(b)增加励磁电流实现软开
7、关的工作波形(c)采用磁饱和电感实现软开关的工作波形图2各种开关电路的工作波形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，卩5to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、Cdsl充放电。电压Vdsl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Di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
8、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Vdsi下降到Vin时，t5to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、Cdsl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Vdsi谐振到零，实现主功率开关管的零电压软开通。关键工作波形如图2(C)所示。3静态分析和优化设计方法3. 1储能电容电压及开关管承受的电压应力根据磁芯伏？秒平衡原则，可得式(1)Vcs(1 - D)Ts=VinDTs (1)因为Vo=八所以式中：Vin为输入直流电压
9、；Vo为输出电压；D为主开关导通占空比；Ts为开关周期;n为变压器匝比因此，主开关S和辅助开关Sa承受的最大电压应力均为 Vds：上式说明，当变压器匝比愈小时，对于一定的输入电压和输出电压的 变换器，开关管电压应力Vds愈小。所以，有源钳位正激变换器一个显著 优点是可以降低开关管电压应力，从而可选用额定电压较低、通态电阻较 小的功率开关管。另外，当变压器变比n确定后，开关管电压应力仅与占 空比有关，如图3所示。显然，当占空比为0.5时，开关管承受最小的电 压应力。当输入电压变化时，如果将占空比设计运行在以0.5为中心的对 称范围内，则可使开关管承受的电压应力基本保持恒定。/0.5i图3开关管电
10、压应力与占空比的关系曲线3. 2增加励磁电流实现零电压软开关工作条件从开关Sa断开到电压Vdsi谐振至零的过程，即工作区间卩4t5和t5 to 要实现主开关S零电压软开通，其导通驱动延迟时间必须大于以上两 区间之和。t4t5期间等效电路如图4所示。相应的电路微分方程是：Vin=LmCds + Vdsi ( 4 )d -：=Vds (6)微分方程的解为：Vds1=“ JCOS( 3 t+ ) + Vin ( 7)im = ”丄輒订sin( 3t+ ) (8)式中：OWt 5 t4。MT.Imp =( 9 )二arcta n (10)Cds= Cds1 + Cds2 ( 11 )1_3 =、T&
11、( 12 )t5时刻,即当jw_ t=t5 t4=ta=(13)Vds1 = Vinim= Im(max)=巳*打2 气：设 K= wTs= f (14)h ；4点皿1 h ；& 一lm(max)=lmp( 15 )t5t。期间等效电路如图5所示。相应的电路微分方程是：Vjn=LmCds，+ Vdsl ( 16 )盛| I=(Io一 Im(max)(17)d -：=Vin ( 18 )dl(bl旅：HI图5 t5tO 期间的等效电路微分方程的解为：sin 3 + Vin (19)im = 一(Im(max) Io )cos cot Io (20) 式中：0wtWt。；Io * =；为变换器输出
12、电流折算到变压器原边的值，并且忽略了输出电感的电流纹波。显而易见，主开关零电压开通的必要条件是：(I m(max) Io )至ds oVn(21)实际上，上述条件即是，变压器励磁电感储存的电流除支持负载电流外，剩余能量能使电容Cdsl上电压谐振到零。Vdsl从Vin谐振到零所需时间tb为：J_% 匕.tb= arcsin : (22)所以，主开关管零电压导通所需总的导通延迟时间td为:td ta + tb=- (23)实际上，谐振频率3远大于开关频率fs，即K远大于1，故式（23）可简化为：td J 2讪:也（24）3. 3应用磁饱和电感实现软开关工作的条件当辅助开关Sa断开后，由于磁饱和电感
13、LS瞬间相当于开路，因此变压 器励磁电流可完全用来对Cds2和Cdsi充放电。卩4t5、t5to期间，等效 电路同图4。显然，令式（21）和（24）中Io水或Io为零，即可得到主开 关管零电压导通的能量条件和时间条件，Im（max） Cds wV in，即:KA? (25)td A? (26)死区延迟时间，意味着PWM变换器有效占空比的损失。为了尽量减 小有效占空比的损失，则K必须加大。另一方面，变换器开关频率fs愈 高，则为保持相同的有效占空比，K至少应保持不变，即谐振频率应与 开关频率fs成比例增加。图6给出了软开关所需要的死区时间td和最大励 磁电流Im(max)与K的关系曲线。从图中明
14、显看出，采用加大励磁电流的方 法实现零电压软开关和采用磁饱和电感器比较，要求的K较大，因而有较大的励磁电流损耗；另外，从式(15)看出，开关频率愈高，电流峰值也 愈高，变压器的铜耗和开关管的导通损耗也愈大。因此，软开关有源钳位 正激变换器工作频率不宜太高。图6软开关所需延迟时间td和最大励磁电流Im(max)与系数K的关系曲线3. 4优化设计方法对一给定技术指标的DC/DC变换器，其具体参数为：输入电压范围Vin(min)Vin(max)，输出电压Vo，输出功率Po，开关频率fs。设计步骤如下:1 ）根据输出功率P。、开关频率fs选定变压器磁芯材料，得到相应的磁 芯截面积Ae，饱和磁密Bs,窗口面积Aw等。设定最大交变磁密 ABo2)确定最大电压应力Vds及降额系数Kio3)据式（27）、（ 28）求出变压器匝比n和最大、最小占空比Dmax、Dmin ,及正常占空比Dnorm。3dVds=WKiVds (27)Vds=WKiVds (28)4)求出变压器初次级匝数N1 , N2oNi=(29)N2=5 (30)5)求出开关管电压应力Vds,选定主开关S和辅助开关Sa的额定电压及确定谐振电容Cdsl和Cds26)设定死区延迟时间td，针对不同的软开关实现方法，分别从式(21)、（24）或（25）、（ 26）求出所需的系数Ko7)根据式（14）和（12）求出谐
