一种在全负载范围内实现ZVS的有源箝位反激变换器

一种在全负载范围内实现ZVS的有源箝位反激变换器

一种在全负载范围内实现ZVS的有源箝位反激变换器

0引言

传统的反激变换器反激变换器，因其相对简单的电路结构以及能实现升降压功能而在DC／DC场合中得到了广泛使用．但是，由于反激变换器的变压器同时还兼作为电路中的电感使用，所以气隙较大，不可避免的漏感也较大。在电路原边开关管关断时，该漏感会和原边开关管上的

结电容产生寄生振荡，从而在原边丌关管上产生电压尖剌，使之承受高的电压应力，同时，该振

荡还是一个EMD源，给电路带来EMI方面的问题。传统的RCD箝位电路将存储在变压器漏感

中的能量，全都消耗在箝位电阻上，在一定程度卜缓解了这个压力，但是，降低了电路的效率。

如果采用一个有源箝位有源箝位的电路来取代传统的RCD箝位电路的话，就能很好地解决这个

问题。

1有源箝位电路

典型的有源箝位电路。

有源箝位的反激变换器除了能将漏感上的能量反馈到输出，提高电路效率外，还具有以下几

个优点：首先，电压箝位效果良好，能减少开关管上的电压应力；其次，电路原边的主管和辅管

都可实现ZVS，从而减少电路的开关损耗。这个特性对于高压输入的场合特别重要。由于开关

管上的电压是谐振到零的，这样既限制了电压关断时的dv／dt，同时箝位电容和变压器原边谐

振电感的谐振还限制了副边整流管关断时的di／dt；通过恰当地设计箝位电容的值，还可以实

现副边整流二极管的ZCS，从而减少或消除了整流管的开关损耗和由于二极管反向恢复引起的

开关噪声，从而有效地减少了电路的EMI。

正是由于这些优点，有源箝位反激变换器受到厂业界的重视。该电路不但可以作为普通的DC／DC变换器使用，而且还可以用作一个性能优良的PFC电路。

传统的反激变换器中存在着“电感电流连续(CCM)”和“电感电流断续(DCM)”两种不同的工作状态。这两种不同的工作状态在有源箝位反激变换器当小也分别体现不同的工作特点。CCM的有源箝位反激变换器和传统的反激变换器一样，在一个开关周期

内，变压器原边的激磁电流始终大于零；而DCM的有源箝位反激变换器中变压器原边的激磁电

流却会出现断续的状态，当激磁电

流到零的时候，在箝位电容的作用下，变压器原边的激磁电流将反向流动，从而在一个开关

周期内体现为一个正负交变的量。文献[4]详细地分析了CCM状态下的有源箝位反激变换器的工

作过程以及设计中的注意事项。从中可知，CCM状态下的有源箝位反激变换器同传统的反激变

换器一样，具有电流纹波小，电路导通损耗小，适合于功率大的输出场合等优点。但该工作状态

需要一个外加谐振电感来实现原边开关管的ZVS(如图1中的Lr)，而且软开关软开关的实现和负

载有关．只能在一定的负载范围内实现。

但是，保证电路在全范围内实现软开关有着重大的现实意义，因为，全范围软开关能保证整

个电路的工作状态一致，特别是保证电路的EMl的性能一致，从而减小了整个电路的EMI滤波

器。为此，本文对有源箝位反激变换器进行了优化设计，以保证整个电路从空载到满载范围内都

能实现软开关。

文章首先对电路的工作状态进行了详细的分析，而后给出了电路当中关键元器件的设汁依据，

最后，用一个100W／100kHz的样机验证了该电路的高效率和优良的全负载范围内的软开关

特性。

2电路的工作原理

图1是有源箝位反激变换器的基本原理图。图中Lr为变压器的漏感，Lm为变压器原边的

激磁电感，Cr为主管和辅管的等效结电容之和，Cc为电路的有源箝位电容，Vin为输入直流电

压，Vo为输出电压，Vcc为箝位电容稳态工作时电压。

图2是有源箝位反激变换器的等效工作状态图。图3表明了有源箝位反激变换器稳态工作

时的几个关键波形。电路的工作状态如下所述。

Mode1[t0，t1]在t0时刻，主管S1导通，辅管S2关断。输出整流二极管D1承受反向电压。S2的体内反并联二极管也反向偏置。Lm和Ln上的电流在Vin的作用下线性上升。

Mode2[t1，t2]在t1时刻，Sl关断。Lm和Lr一起同Cr进行谐振，利用激磁电流(此时激磁电流与流过漏感的电流相等)给Cr充电。S2处于关断状态，S2体内二极管继续反向偏置。

Mode3[t2，t3]在t2时刻，Cr被充电到vDS1=Vin+Vcc（Vcc≈nVo）为箝位电容稳态工作时的电压)；此时，S2的体内二极管开始导通，Lm和Lr同Cc进行谐振，利用激

磁电流给Cr充电。由于Cc远大干Cr几乎所有的激磁电流都通过二极管流向箝位电容，同时Lm和Lr进行分压，励磁电压即变压器一次电压Vpri为

Mode，4[t3，t4]在t3时刻，vpri足够的小，D1正向导通。变压器的原边电压就被箝位在nVo。这时，Lr和Cc进行谐振，利用激磁电流给Cr充电。为了能实现S2的ZVS，S2必须

在谐振电流反向之前触发导通。

Mode5[t4，t5]在t4时刻，S2关断，使得Cr詖迅速地从电路中断开。同时，Lr和Cr 谐振，变压器的原边电压仍然被箝位在nVo。当Lr上面的电流等同于Lin上的电流时，副边电

流减少到零，D1反向截至，变压器原边的电压开始反向。

Mode6[t5，t6]在t5时刻，储存在Lr和Lm内的能量大于储存在Cr中的能量，Cc上的电荷将被放完，同时，S1的体二极管开始导通；如果在这个时间段内S1被触发导通，那么就

可以实现ZVS。同时，对于Lin和Lr而言，两端的电压为Vin，电感上的电流又开始线性上升。

在t6时刻，S1导通，进入下一个开关周期，开关周期Ts=t6-t0。

从上面的分析可以得巾以下结论：该电路正是通过让有源箝位的反激变换器工作在DCM状

态下，利用变压器原边激磁电感参与电路的谐振，在S1导通之前，利用变压器原边激磁电感上

的能量将结电容Cr上的电压谐振到零，从而实现电路的ZVS。阅此．该电路就不需要再外加一

个谐振电感来实现ZVS。所以，在文献[4]中，Lr为变压器的漏感和外加的谐振电感之和，而在

本文中，Lr仅为变压器的漏感。

在低功率，高电压的场合，该电路的优点不仅局限在全范围软开关上，而且还省去了外加谐

振电感。因为，如果想在低功率、高电压的场合将结电容Cr上的电压谐振到零，该谐振电感的

取值可能高达几百μH。

但是，和传统的反激电路的DCM的工作状态一样，该电路的最大的缺点就是其电流纹波比

较大，因为，电路原边电流中始终存在一个和输出功率无关的交流分量，这个交流分量将在原边

的开关管上产生不必要的导通损耗，而且由于设计在断续工作状态下，这个交流分量的峰峰值比CCM来得高，从而将在一定程度上影响电路的效率。

3电路的工作特点和主要元器件设计

为了保证电路具有良好的工作状态，从而在全范围内实现软开关，电路中的关键元器件的设

计显得相当重要。

3.1变压器的设计(激磁电感Lm的设计)

在电路中变压器小仪传递能量，而且还充当储能元件，另外，该激磁电感还参与了和结电容Cr的谐振，是保证电路在全范围内实现软开关的重要因素。