全桥变换器中钳位二极管工作情况的详细分析
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ω3 = 1
r1
其中:
4
2 Lr Clag
r lag
4
2
2
−1
in
34
3
r1 3
4
6
2
2
p
R1
R2
in
r
Lr
p
Lr
5
Lr
p
R1
Lf
DR1
R2
6
DR1
DR2
Lf
DR1
DR1
6
DR1
R1
DR2
Lf
6
7
R1
R1
DR1
' C DR 1
in
4
6
r
4
6
vCDR1 (t ) =
2Vin k [1 − cos ω4 (t − t6 )] − Lr [1 − cos ω4 (t − t6 )] N N
Lf
* DR1 * D R2
+
+ v Cf _ rect
* DR1 * DR2
+ v Cf _ rect
CDR2
（2）开关模态 1（超前管开通阶段） 超前管开通阶段）
（g） （h） （i） 图（3）加箝位二极管的全桥变换器 CCM 工作模式下的主要波形
+
CDR2
， ，对应于图 2（b） 。在 t 时刻关断 Q ，原边电流从 Q 中转移到 C 和 C 支路中，给 C 充电，C 放电。由于 C 和 C ，Q 是零电压关断。在此阶段中，C ， C ，L 和 C’ 进行谐振，称该工作状态为全桥变换器的超前管开通阶段。该阶段 的等效电路如图 2（b） ，进一步的等效电路如图 3（b） 。C’ 为 D 的结电容折算 至原边的等效电容： 2 C = ⋅C （2-1） N 2C C i (t ) = i (t ) = I cos ω ( t − t ) + I （2-2） 2C + C 2C + C
（2-3） （2-4） （2-5）
vC 3 (t ) =
' CDR 1 2 I1 sin ω1 (t − t0 ) + I1 (t − t0 ) − Vin ' ' 2Clead (2Clead + CDR 2 )ω1 2Clead + CDR 2
vC ' (t ) = Vin +
D
(2Clead
1 1 I1 sin ω1 (t − t0 ) − I1 (t − t0 ) ' ' + CDR 2 )ω1 2Clead + CDR 2
4
振，谐振电感给 C 充电，同时给 C 放电。称该工作状态为全桥变换器的滞后管开 通阶段。该模态的进一步等效电路如图 3（d）所示。I 为 t3 时刻原边电流。得出： （2-12） v (t ) = Z I sin ω (t − t ) v (t ) = V − Z I sin ω (t − t ) （2-13） i (t ) = i (t ) = I cos ω (t − t ) （2-14）
0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15 t16 t17 t18
t t
t
全桥变换器一个周期有 8 个工作模态，其等效电路如图（3）所示。 （1）开关模态 0（功率传递阶段） 功率传递阶段） 在 t 时刻，Q ，Q ，D 导通，D ，D ，D 截止。变压器原边斜对角的两只 开关管导通，副边一只整流二极管导通，此时能量可以通过变压器从原边传到副边，
ω1 =
' 2Clead + CDR 2 ' 2Clead ⋅ CDR ⋅ 2 Lr
1
0
1
1
3
3
1
2
3
3
Lr
p
Lr
DR2
2
DR2
R2
P
1
2
Lf
0
Lf
1
' CDR 2
1
p
Lr
2
1
2
1
2
1
1
r
2
' CDR 2
' DR 2
2
1
2
1
2
' CDR 2
1
2
1
2
r
' DR 2
2
3
R1
R2
3
4
3
4
2
4
4
R1
R2
r
2
4 2 3
C4
r1 3
3
3
C2
in
r1 3
3
3
Lr
p
3
3
3
（2-15） Z = L 2C （2-16） t 时刻，C 的电压上升至 Vin，C 的电压下降到零，D 自然导通。开关模态 4 的持续时间为： V 1 t = sin ( ) （2-17） ω Z I （6）开关模态 5（副边换流阶段 副边换流阶段） 阶段） [t ，t ]，对应于图 2（f） 。D 导通后，可以零电压开通 Q 。此时 i 不足以提供 负载电流，D 和 D 同时导通， V 全部加在 L 两端，i 线性下降，i 等于 i 。t 时刻，i 过零变负，此后负向增加。随着 i 的线性下降，流过 D 的电流线性下降， 由于 i 的下降率比 i 的下降率小，所以流过 D 的电流线性上升。直到 t 时刻， i 下降为零，i 等于 i 。在该阶段里，原边斜对角的一对主功率管已经开通， 在变压器原边构成向副边传递能量的回路，但是由于谐振电感的存在，阻碍了副边 两个整流二极管里电流的变化。使得 i 不能立刻下降为零。在 i 下降为零之前， 变压器被短路，能量无法传递到副边，称该工作状态为全桥变换器的副边换流阶段。 直到 t 时刻，i 下降为零，D 关断，i 等于 i 。 （7）开关模态 6（副边建压阶段 副边建压阶段） 阶段） [t ，t ] ，对应于图 2（g） 。D 关断后，反向恢复的电流给 D 的结电容 C 充电，副边电压开始建立，称该工作状态为全桥变换器的副边建压阶段。该模态的 进一步等效电路如图 3（e）所示。此时： k v = V [1 − cos ω (t − t )] − L [1 − cos ω (t − t )] （2-18） N
2.CCM 模式的 模式的工作原理分析
加箝位二极管的全桥变换器的主电路如图（1）所示。其中 Q - Q 为四只主功 率 MOSFET，D - D 为它们的体二极管，C - C 为寄生电容。Q 、Q 为超前管，Q 、 Q 为滞后管。D 、D 为箝位二极管，L 是谐振电感，T 是主变压器。D 、D 为 整流二极管，C 、C 为 D 、D 的寄生电容。L 、C 分别是滤波电感和滤波电 容，R 是负载。变压器匝比为 N。本节将详细分析加箝位二极管的全桥变换器 CCM
[t0 t1]
0 1 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 r DR2 DR2 R2
2 ' DR 2 DR 2
' DR 2
lead
P
Lr
lead
' DR 2
1
1
0
lead
' DR 2
1
vC1 ( t ) =
' CDR 1 2 I1 sin ω1 ( t − t0 ) + I1 ( t − t0 ) ' ' 2Clead + CDR 2Clead ( 2Clead + CDR 2 ) 2
DCM 全桥移相 全桥移相 DC/DC 变换器中箝位二极管 工作情况的详细分析
殷兰兰 陈乾宏 (南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016) 关键词： 关键词：电力电子与电力传动，全桥，DCM，箝位二极管
1.引言： 引言：
随着世界经济不断发展，能源和环境问题日益突出。可再生能源资源丰富、清 洁并可永续利用，对促进可持续发展具有重要意义。太阳能、风能、水能、氢能等 都是非常好的可再生能源。但是它们都有一个共同的缺点，输出电压的范围很宽， 这就使得后级 DC/DC 变换器的输入电压范围很宽，对于变换器的选取提出了新的 要求。 移相全桥 DC/DC 变换器很适合宽输入电压的应用场合。考虑到高输入电压时 谐振电感较大，本文将充分考虑到谐振电感的影响，分析全桥移相 DC/DC 变换器 在电流连续模式（CCM）的工作原理，发现变压器的绕组电压将出现明显振荡；此 外，对于广泛应用于各种电源产品中的全桥移相 DC/DC 变换器，仅仅了解电流连 续模式的工作原理还不够全面，为此，本文还讨论了电路工作在电流断续模式 （DCM）的工作原理，文中给出了详细的模态分析结果。发现高压输入时，由于谐 振电感的影响，对比连续模式和断续模式，发现箝位二极管在断续模式的电流应力 大于连续模式，因此应按照断续模式的电流应力来选取箝位二极管。在原理分析的 基础上，完成了 430V~645V 输入、36V/30A 输出的变换器的样机制作及实验。实验 结果与原理分析吻合较好，充分证明了原理分析的正确性。
CCM
0 1 4 R1 R2 5 6
图（2）加箝位二极管的全桥变换器 CCM 工作模式下的主要波形
称该工作状态为全桥变换器的功率传递阶段。该阶段的等效电路如图 3（a） ，进一 步的等效电路如图 4（a） 。当 L ＞＞L /K 时，可以认为输入电压直接加在变压器两 端。但是由于本文针对应用于高输入电压场合的全桥变换器，为了能够实现开关管 的软开关，谐振电感的感值要求很大，所以谐振电感的影响无法忽略。
D2 Q2 ip
+
C1 i Lr
D5 ip * C
Q2
C2
Q1
+
C1 i Lr
D5
C2
A Vin Q3 D3 Tr
Lr
+
B Tr Q4
+
wk.baidu.com
A Vin C4 Q3 D3 Tr
* Lr
+
C C3 D6
B Tr Q4 D4 RLd + V o _
+
C3 D6
C4
D4 RLd + V o _
+ CDR1
Lf
+ CDR1
（a）
（b）
（c）
Lr Vin C’DR1 + ILf / N Vin
（d）
Llk C’DR1 + ILf / N
（e） （f） 图（4）加箝位二极管的全桥变换器 CCM 工作模式下的主要波形
其中: （2-6） I 为 t 时刻折算至原边的滤波电感电流,由于此阶段时间较短,可近似认为 I 为恒值。 t 时刻，C 的电压下降到零，D 导通，开关模态 1 结束。 （3）开关模态 2（整流管结电容 整流管结电容放电阶段 结电容放电阶段） 放电阶段） [t ，t ]，对应于图 2（c） 。D 导通后，可以零电压开通 Q 。此时 A 点电位已经 降为零，迫使 i 继续下降，在 C 点电压下降到零之前，谐振电感和变压器串联，i 和 i 一起下降，使得变压器原边提供给副边的能量不足以提供负载电流，迫使 C 继续放电提供一部分能量，直到 t 时刻，C 放电结束，D 导通，称该工作状态 为全桥变换器的整流管放电阶段。该模态的进一步等效电路如图 3（c）所示。有 i (t ) = I （2-7） 并假设： i (t ) = i (t ) （2-8） 得到 v (t ) i (t ) = i (t ) = ( I − I ) cos ω (t − t ) − sin ω (t − t ) + I （2-9） Lω 1 v (t ) = ( I − I )sin ω (t − t ) + v (t ) cos ω (t − t ) （2-10） C ⋅ω 其中: 1 ω = （2-11） LC （4）开关模态 3（续流阶段 续流阶段） 阶段） [t ，t ]，对应于图 2（d） 。D 和 D 同时导通，将变压器原副边电压箝在零位， 此时谐振电感和变压器两端的电压都是零，处于自然续流状态。副边两个整流二极 管的电流相等，均分滤波电感电流。称该工作状态为全桥变换器的续流阶段。 （5）开关模态 4（滞后管开通阶段 滞后管开通阶段） 开通阶段） [t ，t ] ，对应于图 2（e） 。t 时刻关断 Q ，由于 C 和 C 的存在，Q 是零电压 关断。此时 D 和 D 仍然导通，变压器原边电压被箝为零， L 、C 和 C 进行谐
f r 2
D1 Q1
+
D2 C1 i Lr D5 ip * Lr
+
Q2
+
C2
A Vin Q3 D3 Tr
C C3 D6
B Tr Q4 D4 RLd + V o _
+
C4
+ CDR1
Lf
* DR1 * D R2
+ v Cf _ rect
（a）
（b）
（c）
+
CDR2
（d）
D1 Q1
+
（e）
D2 D1
+
（f）
1 4 1 4 1 4 1 3 2 4 5 6 r r R1 R2 DR1 DR2 R1 R2 f f Ld
的工作原理。图（2）给出了主要波形。
Q1 Q4 iLr ip vAB
Vin I1 I2 I3
图（1）加箝位二极管的全桥变换器主电路
Q3 Q2 Q1 Q4 t t
Vin
t
-I4
iD5 iD6 vrect
i (t ) + k (t − t6 ) vin k sin ω4 (t − t6 ) − sin ω4 (t − t6 ) + Lf 6 Zr 2 N N
（2-21） （2-22） Z = L C （2-23） ω =1 L C t 时刻，C 充电到 2V /N，C 点电压下降至零，D 导通。由于 D 导通的时 刻，变压器原边电压等于输入电压，所以本文称箝位二极管在这种情况下的导通方 式为过压导通工作模式。忽略式滤波电感上的电流脉动，该模态的持续时间为： 2V 2V v (t ) = [1 − cos ω (t − t )] = （2-24） N N
r1
其中:
4
2 Lr Clag
r lag
4
2
2
−1
in
34
3
r1 3
4
6
2
2
p
R1
R2
in
r
Lr
p
Lr
5
Lr
p
R1
Lf
DR1
R2
6
DR1
DR2
Lf
DR1
DR1
6
DR1
R1
DR2
Lf
6
7
R1
R1
DR1
' C DR 1
in
4
6
r
4
6
vCDR1 (t ) =
2Vin k [1 − cos ω4 (t − t6 )] − Lr [1 − cos ω4 (t − t6 )] N N
Lf
* DR1 * D R2
+
+ v Cf _ rect
* DR1 * DR2
+ v Cf _ rect
CDR2
（2）开关模态 1（超前管开通阶段） 超前管开通阶段）
（g） （h） （i） 图（3）加箝位二极管的全桥变换器 CCM 工作模式下的主要波形
+
CDR2
， ，对应于图 2（b） 。在 t 时刻关断 Q ，原边电流从 Q 中转移到 C 和 C 支路中，给 C 充电，C 放电。由于 C 和 C ，Q 是零电压关断。在此阶段中，C ， C ，L 和 C’ 进行谐振，称该工作状态为全桥变换器的超前管开通阶段。该阶段 的等效电路如图 2（b） ，进一步的等效电路如图 3（b） 。C’ 为 D 的结电容折算 至原边的等效电容： 2 C = ⋅C （2-1） N 2C C i (t ) = i (t ) = I cos ω ( t − t ) + I （2-2） 2C + C 2C + C
（2-3） （2-4） （2-5）
vC 3 (t ) =
' CDR 1 2 I1 sin ω1 (t − t0 ) + I1 (t − t0 ) − Vin ' ' 2Clead (2Clead + CDR 2 )ω1 2Clead + CDR 2
vC ' (t ) = Vin +
D
(2Clead
1 1 I1 sin ω1 (t − t0 ) − I1 (t − t0 ) ' ' + CDR 2 )ω1 2Clead + CDR 2
4
振，谐振电感给 C 充电，同时给 C 放电。称该工作状态为全桥变换器的滞后管开 通阶段。该模态的进一步等效电路如图 3（d）所示。I 为 t3 时刻原边电流。得出： （2-12） v (t ) = Z I sin ω (t − t ) v (t ) = V − Z I sin ω (t − t ) （2-13） i (t ) = i (t ) = I cos ω (t − t ) （2-14）
0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15 t16 t17 t18
t t
t
全桥变换器一个周期有 8 个工作模态，其等效电路如图（3）所示。 （1）开关模态 0（功率传递阶段） 功率传递阶段） 在 t 时刻，Q ，Q ，D 导通，D ，D ，D 截止。变压器原边斜对角的两只 开关管导通，副边一只整流二极管导通，此时能量可以通过变压器从原边传到副边，
ω1 =
' 2Clead + CDR 2 ' 2Clead ⋅ CDR ⋅ 2 Lr
1
0
1
1
3
3
1
2
3
3
Lr
p
Lr
DR2
2
DR2
R2
P
1
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Lf
0
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1
' CDR 2
1
p
Lr
2
1
2
1
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1
1
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2
' CDR 2
' DR 2
2
1
2
1
2
' CDR 2
1
2
1
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' DR 2
2
3
R1
R2
3
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3
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4
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R1
R2
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2
4 2 3
C4
r1 3
3
3
C2
in
r1 3
3
3
Lr
p
3
3
3
（2-15） Z = L 2C （2-16） t 时刻，C 的电压上升至 Vin，C 的电压下降到零，D 自然导通。开关模态 4 的持续时间为： V 1 t = sin ( ) （2-17） ω Z I （6）开关模态 5（副边换流阶段 副边换流阶段） 阶段） [t ，t ]，对应于图 2（f） 。D 导通后，可以零电压开通 Q 。此时 i 不足以提供 负载电流，D 和 D 同时导通， V 全部加在 L 两端，i 线性下降，i 等于 i 。t 时刻，i 过零变负，此后负向增加。随着 i 的线性下降，流过 D 的电流线性下降， 由于 i 的下降率比 i 的下降率小，所以流过 D 的电流线性上升。直到 t 时刻， i 下降为零，i 等于 i 。在该阶段里，原边斜对角的一对主功率管已经开通， 在变压器原边构成向副边传递能量的回路，但是由于谐振电感的存在，阻碍了副边 两个整流二极管里电流的变化。使得 i 不能立刻下降为零。在 i 下降为零之前， 变压器被短路，能量无法传递到副边，称该工作状态为全桥变换器的副边换流阶段。 直到 t 时刻，i 下降为零，D 关断，i 等于 i 。 （7）开关模态 6（副边建压阶段 副边建压阶段） 阶段） [t ，t ] ，对应于图 2（g） 。D 关断后，反向恢复的电流给 D 的结电容 C 充电，副边电压开始建立，称该工作状态为全桥变换器的副边建压阶段。该模态的 进一步等效电路如图 3（e）所示。此时： k v = V [1 − cos ω (t − t )] − L [1 − cos ω (t − t )] （2-18） N
2.CCM 模式的 模式的工作原理分析
加箝位二极管的全桥变换器的主电路如图（1）所示。其中 Q - Q 为四只主功 率 MOSFET，D - D 为它们的体二极管，C - C 为寄生电容。Q 、Q 为超前管，Q 、 Q 为滞后管。D 、D 为箝位二极管，L 是谐振电感，T 是主变压器。D 、D 为 整流二极管，C 、C 为 D 、D 的寄生电容。L 、C 分别是滤波电感和滤波电 容，R 是负载。变压器匝比为 N。本节将详细分析加箝位二极管的全桥变换器 CCM
[t0 t1]
0 1 1 1 2 1 2 1 2 1 1 2 r DR2 DR2 R2
2 ' DR 2 DR 2
' DR 2
lead
P
Lr
lead
' DR 2
1
1
0
lead
' DR 2
1
vC1 ( t ) =
' CDR 1 2 I1 sin ω1 ( t − t0 ) + I1 ( t − t0 ) ' ' 2Clead + CDR 2Clead ( 2Clead + CDR 2 ) 2
DCM 全桥移相 全桥移相 DC/DC 变换器中箝位二极管 工作情况的详细分析
殷兰兰 陈乾宏 (南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016) 关键词： 关键词：电力电子与电力传动，全桥，DCM，箝位二极管
1.引言： 引言：
随着世界经济不断发展，能源和环境问题日益突出。可再生能源资源丰富、清 洁并可永续利用，对促进可持续发展具有重要意义。太阳能、风能、水能、氢能等 都是非常好的可再生能源。但是它们都有一个共同的缺点，输出电压的范围很宽， 这就使得后级 DC/DC 变换器的输入电压范围很宽，对于变换器的选取提出了新的 要求。 移相全桥 DC/DC 变换器很适合宽输入电压的应用场合。考虑到高输入电压时 谐振电感较大，本文将充分考虑到谐振电感的影响，分析全桥移相 DC/DC 变换器 在电流连续模式（CCM）的工作原理，发现变压器的绕组电压将出现明显振荡；此 外，对于广泛应用于各种电源产品中的全桥移相 DC/DC 变换器，仅仅了解电流连 续模式的工作原理还不够全面，为此，本文还讨论了电路工作在电流断续模式 （DCM）的工作原理，文中给出了详细的模态分析结果。发现高压输入时，由于谐 振电感的影响，对比连续模式和断续模式，发现箝位二极管在断续模式的电流应力 大于连续模式，因此应按照断续模式的电流应力来选取箝位二极管。在原理分析的 基础上，完成了 430V~645V 输入、36V/30A 输出的变换器的样机制作及实验。实验 结果与原理分析吻合较好，充分证明了原理分析的正确性。
CCM
0 1 4 R1 R2 5 6
图（2）加箝位二极管的全桥变换器 CCM 工作模式下的主要波形
称该工作状态为全桥变换器的功率传递阶段。该阶段的等效电路如图 3（a） ，进一 步的等效电路如图 4（a） 。当 L ＞＞L /K 时，可以认为输入电压直接加在变压器两 端。但是由于本文针对应用于高输入电压场合的全桥变换器，为了能够实现开关管 的软开关，谐振电感的感值要求很大，所以谐振电感的影响无法忽略。
D2 Q2 ip
+
C1 i Lr
D5 ip * C
Q2
C2
Q1
+
C1 i Lr
D5
C2
A Vin Q3 D3 Tr
Lr
+
B Tr Q4
+
wk.baidu.com
A Vin C4 Q3 D3 Tr
* Lr
+
C C3 D6
B Tr Q4 D4 RLd + V o _
+
C3 D6
C4
D4 RLd + V o _
+ CDR1
Lf
+ CDR1
（a）
（b）
（c）
Lr Vin C’DR1 + ILf / N Vin
（d）
Llk C’DR1 + ILf / N
（e） （f） 图（4）加箝位二极管的全桥变换器 CCM 工作模式下的主要波形
其中: （2-6） I 为 t 时刻折算至原边的滤波电感电流,由于此阶段时间较短,可近似认为 I 为恒值。 t 时刻，C 的电压下降到零，D 导通，开关模态 1 结束。 （3）开关模态 2（整流管结电容 整流管结电容放电阶段 结电容放电阶段） 放电阶段） [t ，t ]，对应于图 2（c） 。D 导通后，可以零电压开通 Q 。此时 A 点电位已经 降为零，迫使 i 继续下降，在 C 点电压下降到零之前，谐振电感和变压器串联，i 和 i 一起下降，使得变压器原边提供给副边的能量不足以提供负载电流，迫使 C 继续放电提供一部分能量，直到 t 时刻，C 放电结束，D 导通，称该工作状态 为全桥变换器的整流管放电阶段。该模态的进一步等效电路如图 3（c）所示。有 i (t ) = I （2-7） 并假设： i (t ) = i (t ) （2-8） 得到 v (t ) i (t ) = i (t ) = ( I − I ) cos ω (t − t ) − sin ω (t − t ) + I （2-9） Lω 1 v (t ) = ( I − I )sin ω (t − t ) + v (t ) cos ω (t − t ) （2-10） C ⋅ω 其中: 1 ω = （2-11） LC （4）开关模态 3（续流阶段 续流阶段） 阶段） [t ，t ]，对应于图 2（d） 。D 和 D 同时导通，将变压器原副边电压箝在零位， 此时谐振电感和变压器两端的电压都是零，处于自然续流状态。副边两个整流二极 管的电流相等，均分滤波电感电流。称该工作状态为全桥变换器的续流阶段。 （5）开关模态 4（滞后管开通阶段 滞后管开通阶段） 开通阶段） [t ，t ] ，对应于图 2（e） 。t 时刻关断 Q ，由于 C 和 C 的存在，Q 是零电压 关断。此时 D 和 D 仍然导通，变压器原边电压被箝为零， L 、C 和 C 进行谐
f r 2
D1 Q1
+
D2 C1 i Lr D5 ip * Lr
+
Q2
+
C2
A Vin Q3 D3 Tr
C C3 D6
B Tr Q4 D4 RLd + V o _
+
C4
+ CDR1
Lf
* DR1 * D R2
+ v Cf _ rect
（a）
（b）
（c）
+
CDR2
（d）
D1 Q1
+
（e）
D2 D1
+
（f）
1 4 1 4 1 4 1 3 2 4 5 6 r r R1 R2 DR1 DR2 R1 R2 f f Ld
的工作原理。图（2）给出了主要波形。
Q1 Q4 iLr ip vAB
Vin I1 I2 I3
图（1）加箝位二极管的全桥变换器主电路
Q3 Q2 Q1 Q4 t t
Vin
t
-I4
iD5 iD6 vrect
i (t ) + k (t − t6 ) vin k sin ω4 (t − t6 ) − sin ω4 (t − t6 ) + Lf 6 Zr 2 N N
（2-21） （2-22） Z = L C （2-23） ω =1 L C t 时刻，C 充电到 2V /N，C 点电压下降至零，D 导通。由于 D 导通的时 刻，变压器原边电压等于输入电压，所以本文称箝位二极管在这种情况下的导通方 式为过压导通工作模式。忽略式滤波电感上的电流脉动，该模态的持续时间为： 2V 2V v (t ) = [1 − cos ω (t − t )] = （2-24） N N