话题:有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法{转载}

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
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 . 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:

    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 .

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 Vds1谐 振 至 零 的 过 程 , 即 工 作 区 间 [t4~ t5]和 [t5~ t0′ ]. 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 .
    [t4~ t5]期 间 等 效 电 路 如 图 4 所 示 . 相 应 的 电 路 微 分 方 程 是 :


    微 分 方 程 的 解 为 :

式 中 : 0≤t≤t5-t4.

t5时 刻 , 即 当

    [t5~ t0′ ]期 间 等 效 电 路 如 图 5所 示 . 相 应 的 电 路 微 分 方 程 是 :


    微 分 方 程 的 解 为 :

     为 变 换 器 输 出 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 :

    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 Cds1上 电 压 谐 振 到 零 . Vds1从 Vin谐 振 到 零 所 需 时 间 tb为 :

    所 以 , 主 开 关 管 零 电 压 导 通 所 需 总 的 导 通 延 迟 时 间 td为 :

    实 际 上 , 谐 振 频 率 ω 远 大 于 开 关 频 率 fs, 即 K远 大 于 1, 故 式 ( 23) 可 简 化 为 :

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 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 Cds1充 放 电 . [t4~ t5]、 [t5~ t0′ ]期 间 , 等 效 电 路 同 图 4. 显 然 , 令 式 ( 21) 和 ( 24) 中 Io* 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)≥ Cdsω Vin, 即 :

    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 ω 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 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 .