有源箝位反激变换器分析与设计.doc

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1、有源箝位反激变换器分析与设计时间：2012-01-1018:30:38来源：作者：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、

2、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：①t=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；②t=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；③t=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

3、(N1/N2)，磁化电流通过箝位支路对CC充电（CC>Cr）,u1下降规律为u1=-uCLm/(Lr+Lm)；④t=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)；⑤t=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；⑥t=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

4、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(Lm>>Lr)　　(1)⑦t6～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

5、，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

6、振电感Lr与功率开关S功率开关S和箝位开关SC电压应力为  (5)式中最后一项为引入谐振电感Lr而导致的功率开关电压应力的增加。随着谐振电感Lr的引入，实际有效占空比略小于开关S驱动信号占空比D，丢失的占空比△D为由式(3)可得  (7)式中Isp—功率开关峰值电流而谐振电容电压为  (8)UCr是谐振电感Lr的函数，精确地求解式(8)比较困难。事实上，电压ULr与Ui+(N1/N2)Uo相比较小，因此功率开关S获得ZVS开通的Lr值可近似表示为  (9)谐振电感电流iLr（即变压器原边电感电流）为功率开关电流iS与箝位电容电流iC之和，其有效值为3.3箝位电容CcCc值的选取原则为：C

7、c与Lr的半个谐振周期应大大于功率开关S的截止时间，即   (11)箝位电容电压为原边绕组电压与Lr端电压之和，即   (12)箝位电容电流有效值为3.4箝位开关Sc箝位开关电压应力由式(5)决定。由式（11）有通过箝位开关Sc的电流（和iC相同）近似为一个锯齿形波，峰值电流等于通过S的峰值电流，箝位开关Sc及其体内二极管Dc的导通时间均近似为（1-D）TS/2，因此Dc中电流平均值和Sc中电流有效值分别为3.5整流二极管D有源箝位