正激有源鉗位分析

1、有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計方法2009年07月14日17:48深圳華德電子有限公司 作者：劉耀平 用戶評論（0）關(guān)鍵字：創(chuàng)創(chuàng)®踐I創(chuàng)捫有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計方法 ?摘要：零電壓軟開關(guān)有源鉗位正激變換器拓?fù)浞浅＿m合中小功率開關(guān)電源 的設(shè)計。增加變壓器勵磁電流或應(yīng)用磁飽和電感均能實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)工 作模式?；趯α汶妷很涢_關(guān)有源鉗位正激變換器拓?fù)涞睦碚摲治?，提?了一套實用的優(yōu)化設(shè)計方法。實驗結(jié)果驗證了理論分析和設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：有源鉗位；正激變換器；零電壓軟開關(guān)1?引言?單端正激變換器拓?fù)湟云浣Y(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應(yīng) 用于獨立的離線式中小功率電源設(shè)計中

2、。在計算機、通訊、工業(yè)控制、儀 器儀表、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，這類電源具有廣闊的市場需求。當(dāng)今，節(jié)能和 環(huán)保已成為全球?qū)哪茉O(shè)備的基本要求。所以，供電單元的效率和電磁兼 容性自然成為開關(guān)電源的兩項重要指標(biāo)。而傳統(tǒng)的單端正激拓?fù)?，由于?磁特性工作在第一象限，并且是硬開關(guān)工作模式，決定了該電路存在一些 固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開關(guān)器件電壓應(yīng)力高，開關(guān)損耗大； dv/d t和di /dt大，EMI問題難以處理。?為了克服這些缺陷，文獻(xiàn)123 提出了有源鉗位正激變換器拓?fù)洌?從根本上改變了單端正激變換器的運行特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開關(guān) 工作模式，從而大量地減少了開關(guān)器件和變壓器的功耗，降低了

3、dv/dt和di/dt，改善了電磁兼容性。因此，有源鉗位正激變換器拓?fù)溲杆佾@得了廣泛的應(yīng)用? 然而，有源鉗位正激變換器并非完美無缺，零電壓軟開關(guān)特性也并非 總能實現(xiàn)。因而，在工業(yè)應(yīng)用中，對該電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。 本文針對有源鉗位正激變換器拓?fù)?，進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，指出了該電 路的局限性，并給出了一種優(yōu)化設(shè)計方法。2? 正激有源鉗位變換器的工作原理? 如圖 1 所示，有源鉗位正激變換器拓?fù)渑c傳統(tǒng)的單端正激變換器拓?fù)?基本相同，只是增加了輔助開關(guān) sa （帶反并二極管）和儲能電容cs,以及 諧振電容Cdsl、Cds2，且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復(fù)電路。磁飽和電感Ls用來實現(xiàn)零電壓軟開

4、關(guān)，硬開關(guān)模式用短路線替代。開關(guān)s和sa工作在互補狀態(tài)。為了防止開關(guān)S和Sa共態(tài)導(dǎo)通，兩開關(guān)的驅(qū)動信號間留有一定 的死區(qū)時間。下面就其硬開關(guān)工作模式和零電壓軟開關(guān)工作模式分別進(jìn)行 討論。為了方便分析，假設(shè)：圖 1? 采用磁飽和電感的有源鉗位正激軟開關(guān)變換器? 1 ）儲能電容cs之容量足夠大以至于其上的電壓 VCs可視為常數(shù)；? 2 ）輸出濾波電感Lo足夠大以至于其中的電流紋波可忽略不計；? 3）變壓器可等效成一個勵磁電感 Lm和一個匝比為n的理想變壓器并聯(lián)， 并且初次級漏感可忽略不計；? 4 ）所有半導(dǎo)體器件為理想器件2.1? 有源鉗位正激變換器硬開關(guān)工作模式? 硬開關(guān)的有源鉗位正激變換器工作

5、狀態(tài)可分為 6 個工作區(qū)間，關(guān)鍵工 作波形如圖 2(a) 所示。? toti期間主開關(guān)S導(dǎo)通，輔助開關(guān)Sa斷開。變壓器初級線圈受到輸 入電壓 Vin 的作用，勵磁電流線性增加， 次級整流管導(dǎo)通并向負(fù)載輸出功率。 ti時刻，主開關(guān)S斷開。? tit 2期間負(fù)載折算到變壓器初級的電流Io誦勵磁電流im給電容Cdsi 充電和Gs2放電，電壓Vdsi迅速上升。t2時刻，Vdsi上升到Vn，變壓器輸出 電壓為零，負(fù)載電流從整流管D3轉(zhuǎn)移到續(xù)流管D4。? t 2t 3期間只有勵磁電流i m通過Lm、Cdsi、Cds2繼續(xù)諧振，并在t 3時刻 Vdsi達(dá)到(Vn + VCs)。輔助開關(guān)Sa的反并二極管D2導(dǎo)

6、通，勵磁電流給電容CS 充電并線性減小，此時，可驅(qū)動輔助開關(guān) Sa。? t3t4期間變壓器初級線圈受到反向電壓 仏的作用，勵磁電流由正 變負(fù)。t4時刻，Sa斷開。? t4t5期間電容Csi、Cds2與Lm發(fā)生諧振，并在t5時刻電壓Vdsi下降到 Vn，變壓器磁芯完成磁恢復(fù)。? t5t。期間次級整流管導(dǎo)通，變壓器次級繞組短路，給勵磁電流提 供了通道。在此期間，Vdsi維持在Vn，勵磁電流保持在Im(max)。to'時刻， 主開關(guān) S 被驅(qū)動導(dǎo)通，下一個開關(guān)周期開始。? 很明顯，有源鉗位正激變換器的變壓器磁芯工作在一、三象限，變換 器工作占空比可超過50%。由于電容Cdsl、Cds2的存在

7、，開關(guān)S和Sa均能自 然零電壓關(guān)斷，而且Sa能實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。但主開關(guān)管 S工作在硬開關(guān)狀 態(tài)。(a)硬開關(guān)工作波形(b)增加勵磁電流實現(xiàn)軟開關(guān)的工作波形 ？(c)采用磁飽和電感實現(xiàn)軟開關(guān)的工作波形圖 2? 各種開關(guān)電路的工作波形2.2? 有源鉗位正激變換器零電壓軟開關(guān)模式?從上面的分析可明顯地看出，當(dāng)變壓器勵磁電感Lm減小，勵磁電流足夠大時，t5t。期間勵磁電流除了能提供負(fù)載電流外，剩余部分可用來幫助電容Cds2、Cdsl充放電。電壓血有可能諧振到零，從而實現(xiàn)主功率開關(guān) 管S的零電壓軟開通。二極管 D可為負(fù)的勵磁電流續(xù)流。關(guān)鍵工作波形如 圖2 (b)所示，具體的軟開關(guān)條件將在下一節(jié)中詳細(xì)討論

8、。很顯然，軟開 關(guān)的代價是變壓器勵磁電流和開關(guān)管導(dǎo)通電流峰值大幅增加，開關(guān)管及變 壓器電流應(yīng)力和通態(tài)損耗明顯加大。2.3? 應(yīng)用磁飽合電感器實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)? 為了克服上述零電壓軟開關(guān)工作時電流應(yīng)力過大的缺點?？梢栽谧儔?器次級整流二極管上串聯(lián)一個磁飽和電感Ls,如圖1所示。當(dāng)電壓Vdsi下降到Vin時，t5to 期間磁飽和電感Ls瞬時阻斷整流二極管，使得變壓器勵磁電流不必負(fù)擔(dān)負(fù)載電流，而可完全用來給電容Cds2、Cdsl充放電。這樣, 不必大量減小變壓器勵磁電感，較小的勵磁電流就可以保證電壓 Vdsl諧振到 零，實現(xiàn)主功率開關(guān)管的零電壓軟開通。關(guān)鍵工作波形如圖 2(c)所示。3?靜態(tài)分析和優(yōu)

9、化設(shè)計方法3.1?儲能電容電壓及開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力?根據(jù)磁芯伏？秒平衡原則，可得式(1)? VCs(1 - D)Ts=VnDT (1)因為乂=斤所以薇.? VCs=? (2)式中：Vn為輸入直流電壓；? Vo為輸出電壓；? D為主開關(guān)導(dǎo)通占空比；? Ts為開關(guān)周期；? n為變壓器匝比。?因此，主開關(guān)S和輔助開關(guān)Sa承受的最大電壓應(yīng)力均為 V.S：? %尸|_=；：| 一川(3)?上式說明，當(dāng)變壓器匝比愈小時，對于一定的輸入電壓和輸出電壓的 變換器，開關(guān)管電壓應(yīng)力 Ws愈小。所以，有源鉗位正激變換器一個顯著優(yōu)點是可以降低開關(guān)管電壓應(yīng)力，從而可選用額定電壓較低、通態(tài)電阻較小 的功率開關(guān)管。另外，

10、當(dāng)變壓器變比n確定后，開關(guān)管電壓應(yīng)力僅與占空比有關(guān)，如圖3所示。顯然，當(dāng)占空比為0.5時，開關(guān)管承受最小的電壓 應(yīng)力。當(dāng)輸入電壓變化時，如果將占空比設(shè)計運行在以0.5為中心的對稱范圍內(nèi)，則可使開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力基本保持恒定。圖3?開關(guān)管電壓應(yīng)力與占空比的關(guān)系曲線3. 2?增加勵磁電流實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作條件?從開關(guān)sa斷開到電壓Vdsl諧振至零的過程，即工作區(qū)間t4t5和t5 to'。要實現(xiàn)主開關(guān)S零電壓軟開通，其導(dǎo)通驅(qū)動延遲時間必須大于以上 兩區(qū)間之和。? t 4t 5期間等效電路如圖4所示。相應(yīng)的電路微分方程是：? Vn=LCds+ Vdsl (4)如I L?=(5)?九 r=V

11、Ds (6)圖4? t4t 5期間的等效電路微分方程的解為：? Vds1= " g 吒，COS( 3t + © ) + Vin ( 7)? im=圮 + 代此sin( wt+© ) (8)式中：OW t < t5 t4。? © =arctana -/)> 人± (10)? Cds=Cds1 + Cds2 ( 11)I? 3 廠忑(12)t5時刻，即當(dāng)? t =t 5 t 4=t a=(13) ? Vds1=Vin? Im(max=設(shè) K= wTs=f (14)h. 血"JC i . i? I m(max=l mp &quo

12、t; ”用=? t5t。期間等效電路如圖5所示。相應(yīng)的電路微分方程是: ? Vn=LCds 擰 + Vds1 ( 16)盛|2_?山=二(| o I m(max) ( 17) ?矗 C=Vn ( 18)圖5? t5tO '期間的等效電路微分方程的解為：? Vdsi=% sin 3t+ Vn (19)k*? i n=- (I m(max) I o )cos 3t I o (20)式中：0W t W to' t 5；? Io* =；為變換器輸出電流折算到變壓器原邊的值，并且忽略了輸出電感的電流紋波。?顯而易見，主開關(guān)零電壓開通的必要條件是:? (Im(max) I o )Cds w

13、V in(21)?實際上，上述條件即是，變壓器勵磁電感儲存的電流除支持負(fù)載電流外,剩余能量能使電容Cdsl上電壓諧振到零。Vdsl從Vn諧振到零所需時間tb為：LJ忻.? t b= arcsin L；一叮(22)所以，主開關(guān)管零電壓導(dǎo)通所需總的導(dǎo)通延遲時間 td為:?實際上，諧振頻率w遠(yuǎn)大于開關(guān)頻率fs，即K遠(yuǎn)大于1，故式(23)可簡化為:? td尹 3 莎站嚴(yán)啥1(24)3. 3?應(yīng)用磁飽和電感實現(xiàn)軟開關(guān)工作的條件?當(dāng)輔助開關(guān)Sa斷開后，由于磁飽和電感Ls瞬間相當(dāng)于開路，因此變壓 器勵磁電流可完全用來對Cds2和Gs1充放電。t4t5】> t 5to'期間，等 效電路同圖4。顯

14、然，令式(21)和(24)中I。*或Io為零，即可得到主開 關(guān)管零電壓導(dǎo)通的能量條件和時間條件，I m(max)> Cds ®V in，即：?上0剖子"皿盒一皿 口 幵? (26)?死區(qū)延遲時間，意味著PWM變換器有效占空比的損失。為了盡量減小 有效占空比的損失，則K必須加大。另一方面，變換器開關(guān)頻率 f s愈咼， 則為保持相同的有效占空比，K至少應(yīng)保持不變，即諧振頻率 3應(yīng)與開關(guān) 頻率fs成比例增加。圖6給出了軟開關(guān)所需要的死區(qū)時間td和最大勵磁電 流I m(max與 K的關(guān)系曲線。從圖中明顯看出，采用加大勵磁電流的方法實現(xiàn) 零電壓軟開關(guān)和采用磁飽和電感器比較，要求

15、的 K較大，因而有較大的勵 磁電流損耗；另外，從式(15)看出，開關(guān)頻率愈高，電流峰值也愈高， 變壓器的銅耗和開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也愈大。因此，軟開關(guān)有源鉗位正激變 換器工作頻率不宜太高。圖6?軟開關(guān)所需延遲時間td和最大勵磁電流Im(max與系數(shù)K的關(guān)系曲線3. 4?優(yōu)化設(shè)計方法?對一給定技術(shù)指標(biāo)的DC/DC變換器，其具體參數(shù)為：輸入電壓范圍Vn（min）Vn（max），輸出電壓V。，輸出功率P0，開關(guān)頻率f s。設(shè)計步驟如下:? 1）根據(jù)輸出功率P。、開關(guān)頻率fs選定變壓器磁芯材料，得到相應(yīng)的磁 芯截面積A,飽和磁密窗口面積Aw等。設(shè)定最大交變磁密 Bo? 2 ）確定最大電壓應(yīng)力Vds及降額系

16、數(shù)K。? 3）據(jù)式（27）、（ 28）求出變壓器匝比n和最大、最小占空比 Jax、Dnin，及正常占空比 Dorm。?也=忙2*-曲 w KiVds （27）? Vds"心廠心 w KiVds （ 28） ? 4 ）求出變壓器初次級匝數(shù) N, N?(29)? 5）求出開關(guān)管電壓應(yīng)力Vds，選定主開關(guān)S和輔助開關(guān)Sa的額定電壓 及確定諧振電容Cdsl和Gs2。? 6）設(shè)定死區(qū)延遲時間td，針對不同的軟開關(guān)實現(xiàn)方法，分別從式（21）、（24）或（25）、（ 26）求出所需的系數(shù)Ko? 7）根據(jù)式（14）和（12）求出諧振頻率3及變壓器初級勵磁電感量,m。4? 設(shè)計實例和實驗結(jié)果?應(yīng)用上述

17、設(shè)計方法，設(shè)計1臺用于通訊設(shè)備的AC/DC變換器電源。具 體技術(shù)指標(biāo)為：?輸入電壓 V? AC 140" 280V? 輸出電壓 Vo? DC 12V? 輸出功率 Po? 150W?功率因數(shù)入? >0.95?效率 n ? >0.80? 采用常規(guī)的 Boost 變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正， 滿足功率因數(shù)大于 0.95 的指標(biāo)要求，且得到DC 440V的直流電壓?？紤]到電源保持時間要求，設(shè) 定有源鉗位DC/DC變換器輸入電壓工作范圍為 DC330450V,開關(guān)頻率為 100kHz,即卩 Ts = 10 卩 s , Vnmax=450V, Vnmin =330V, Vnnorm=44

18、0Vo 為提咼效率， 有源鉗位DC/DC變換器采用了同步整流技術(shù)，設(shè)計結(jié)果如下：2? 1 ）選擇磁芯材料為 TDK PC40 EER40 A=1.49cm, Bs=450mT 取 B=300mT? 2 ）設(shè)定開關(guān)管最大電壓應(yīng)力為 900V,降額系數(shù)K1為0.9。? 3）求出變壓器匝比n,最大、最小占空比dax、din,及正常占空比Dorm考慮整流管壓降和輸出電感損耗，取 Vo為13V,據(jù)式（27）、（ 28）求出: nW 15,取 n=13.3。貝U: Dnax=0.524 , Dnin=0.384 , Dorm=0.393。? 4）據(jù)式（29）、（30）求出變壓器初次級匝數(shù) N, 2分別為40匝和3 匝。? 5）據(jù)式（ 3）,求出當(dāng)占空比為 0.384 時,開關(guān)管承受最大的電壓應(yīng) 力731V°S和S可選900V之功率場效應(yīng)管。等效漏源并聯(lián)電容Cdsi為330pF, Cds2為 200pF，所以 Cds為 530pF。? 6）設(shè)定死區(qū)時間td為350ns,采用磁飽和電感方法實現(xiàn)軟開關(guān)。則據(jù)式（26）求出K為15.4。? 7）據(jù)式（14）和（12）求出諧振頻率