涨知识啦！有源钳位正激变换器的理论分析方法

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。

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。

（a）硬开关工作波形

（b）增加励磁电流实现软开关的工作波形  （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，[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。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）

式中：Vin为输入直流电压；

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：