有源箝位反激变换器分析与设计1引言反激-世纪电源网.PDF

有源箝位反激变换器分析与设计 1. 引言 反激(Flyback)变换器由于具有电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、电压升/降范 围宽、易于多路输出等优点，因而广泛用于中小功率变换场合。但是，反激变换 器功率开关电压、电流应力大，漏感引起的功率开关电压尖峰必须用箝位电路来 限制。作者在文献[1]中对RCD箝位、LCD箝位、有源箝位反激变换器进行了比 较研究，得出有源箝位技术使反激变换器获得最优综合性能的结论。 图1 有源箝位反激变换器电路拓扑 图2 有源箝位反激变换器原理波形 2. 有源箝位反激变换器稳态原理分析 有源箝位反激变换器电路拓扑及原理波形，分别如图1、图2所示[2]。变压器 用磁化电感Lm、谐振电感Lr(包括变压器漏感和外加小电感)和只有变比关系的 理想变压器T表示，Cr为等效电容，包括两个开关S和SC 的输出电容。稳态工 作时，每个开关周期分为七个开关状态阶段，各开关状态等值电路如图3所示。 七个开关状态为： ① t=t0～t1：t0时刻，功率开关S开通，箝位开关SC及其寄生二极管Dc与整 流二极管D均截止，Lm与Lr线性充电； ② t=t1～t2：t1时刻，S关断，磁化电感电流即谐振电感电流以谐振方式对Cr 充电，开关管S漏源电压uDS近似线性上升； ③ t=t2～t3：t2时刻，uDS上升到Ui+uC，DC开通，将Lr和Lm串联支路端电 压箝位在uC≈Uo(N1/N2)，磁化电流通过箝位支路对CC充电（CCCr）,u1下降 规律为u1=-uCLm/(Lr+Lm)； ④ t=t3～t4：t3时刻，u1已经下降到使D正偏导通，随后u1箝位在-Uo(N1/N2)， Lr和CC开始谐振，Lr上的电压为uC-Uo(N1/N2)，iC下降速率为 [uC-Uo(N1/N2)]/Lr，在iC开始反向之前开通SC，SC便获得了零电压开通(ZVS)； ⑤ t=t4～t5：t4时刻，SC关断，Lr与Cr谐振，在Cr放电期间u1仍然被箝位 在-Uo(N1/N2)值上； ⑥ t=t5～t6：t5时刻，uDS=0，假定Lr储能大于Cr储能，足以使S体内寄生 二极管Ds开通，Lr上电压箝位在Ui+Uo(N1/N2)值上，则副边整流二极管D中电 流i2下降速率为 (LmLr) (1) ⑦ t6～t7：t6时刻S零电压ZVS开通，随着iLr上升，i2逐渐下降，t7时刻 iLr已上升到磁化电流iLm值，i2=0，D反偏，u1由-Uo(N1/N2)变为Ui，随后 Lm和Lr再次线性充电，新的PWM开关周期又开始了。 要实现功率开关S的ZVS开通，必须满足：①应在t5～t6期间加驱动信号，否 则iLr过零变正后，Lr将再次对Cr充电，功率开关S便失去了ZVS条件。S开 通与SC关断的间隔应有严格要求，其值应不超过Lr和Cr谐振周期的四分之一， 即 (2) ②SC关断时Lr储能应不小于Cr储能，以便能将Cr上电荷抽尽，即 (3) 由上述分析可知，有源箝位反激变换器具有下列优点：①箝位电容Cc将变压器 漏感中能量吸收并回馈到电网侧，消除了漏感引起的关断电压尖峰，功率开关承 受最小电压应力；②箝位电容Cc和谐振电容Cr与谐振电感Lr谐振，使主辅开 关均获得了ZVS开关；③谐振电感Lr使整流二极管D关断电流变化率减小，降 低了D反向恢复引起的关断损耗和开关噪声。 3.关键电路参数设计 3.1 磁化电感 Lm 磁化电感Lm大小决定了CCM/DCM工作模式的边界条件，若系统工作在CCM模式， 则 (4) 式中，Pomin—电感电流临界连续时输出功率，Fs—开关频率 η—变换效率，D—开关S占空比 3.2 谐振电感