基于单端正激型开关电源的谐振去磁技术原理概述

1 引言

单端正激型开关电源的结构比较简单，已广泛用于中小功率输出场合。由于这种拓扑结构的特点是功率变压器工作在B-H曲线的第一象限，因此必须采用适当的去磁方法，以消除磁心单向磁化饱和的潜在隐患。在工程中，常用的去磁技术有增加去磁绕组、有源箝位、RCD箝位和ZVT箝位等多种方法，其共同思路是在主功率开关管截止后，通过一定的途径，使变压器中剩余的磁化能量泻放或者消耗在无源功率电阻上，以确保下一个开关管导通之前变压器中无剩余磁化能量。实际上，不用增加额外的电路技术及元器件，仅仅利用单端正激型电源自身的结构特点，就能较好地完成去磁要求，即采用谐振技术进行去磁。这种谐振去磁技术的基本原理是在功率开关管截止后，利用变压器自身的等效电感和电路中元器件的分布电容进行谐振，产生能量交换，以转移变压器的磁化能量。

2 谐振去磁技术的工作原理

在分析该谐振去磁电路的工作原理之前，首先假设：①整个系统进入稳态，一个开关工作周期内的各电量均为动态平衡;②输出电感Lo和输出电容Co与参与去磁的谐振组件相比，近似无穷大;③忽略变压器的漏感及其对电路的影响;④开关管VQ1与二极管均为理想器件，即忽略开关管导通电阻RDS(on)和二极管的正向压降VF。图1示出一个单端正激型电源中，参与谐振去磁的基本电路组件。该电源的开关管采用MOSFET组件。

Ct——功率变压器初级绕组的等效电容，与Lm并联

Cs——开关管VQ1的漏-源极结电容与并联在其两端的外电容之和

Cl——输出整流二极管的结电容与外接并联电容之和

功率变压器初级的等效电路，C1等效到变压器初级的电容为C1(N8/Np)2，且与Ct为并联关系，同时Cs与Ct也为并联关系。

在一个完整的开关周期内，一个完整的谐振去磁过程由以下几个工作阶段组成：

(1)第一阶段即谐振去磁过程的谐振去磁电路电流走向及其工作过程。

第一阶段位于图3b的Ton阶段。在此之前，VQ1的漏源电压uDSVQ1为输入电压uin，负载电流流过VDf，流过变压器磁心的磁化电流imag为负值i1。由t=0开始，VQ1受控导通。此时，imag开始线性增加。流过变压器初级的电流ip为imag和次级负载电流Io反射到变压器初级的电流迭加之和，即ioNs/Npo在此阶段，VDr导通，VDf截止。而C1和Cs的端电压uC1和uCs均近似为零。假定变压器的初级磁化电流在该阶段开始时为i1;结束时为i2，则两者的关系为：

i2=i1+uinTon/Lm(1)

(2)第二阶段即谐振去磁阶段的谐振去磁电路电流走向及其工作过程。

第二阶段位于Tr阶段。在Tr开始阶段，VQl受控制信号的作用截止。其uDSVQ1开始迅速上升，当uDSVQ1超过uin后，变压器次级的线圈极性反转，VDr截止，VDf导通。由于VQ1截止，Lm与电路中的等效电容Cr，即前述的Cs和C1等效到初级的电容，以及变压器初级绕组的等效电容Ct三者并联，形成一个并联谐振电路，开始谐振工作，形成正弦去磁电流imag。由电路理论可知，一个LC串联或并联的电路，在以谐振方式工作时，电感上的电流与电容上的电压变化均为正弦，且彼此相位相差900，二者储存的能量互相交换，即一个电量达到绝对值的最大时，另一个电量为零。由于在Tr开始时，Cr的端电压uCr=0，没有存储能量，而Lm中的能量在开关截止前就达到了最大值，因此Lm与Cr产生能量交换;该阶段的持续时间为Tr，且Tr为一完整谐振周期的1/2。即：

Tr=πLmCr(2)

uCr由零所能达到的最大值：

UCrmax=i2Lm/Cr(3)

uDSVQ1在Cr达到最大值时，也达到其峰值：

UdsVQ1max=uin+i2Lm/Cr(4)