圖2 有源箝位反激變換器原理波形

2. 有源箝位反激變換器穩(wěn)態(tài)原理分析

有源箝位反激變換器電路拓?fù)浼霸聿ㄐ危謩e如圖1,、圖2所示[2],。變壓器用磁化電感Lm、諧振電感Lr(包括變壓器漏感和外加小電感)和只有變比關(guān)系的理想變壓器T表示,，Cr為等效電容,，包括兩個開關(guān)S和SC的輸出電容。穩(wěn)態(tài)工作時,，每個開關(guān)周期分為七個開關(guān)狀態(tài)階段,，各開關(guān)狀態(tài)等值電路如圖3所示。七個開關(guān)狀態(tài)為：

① t=t0～t1：t0時刻,，功率開關(guān)S開通,，箝位開關(guān)SC及其寄生二極管Dc與整流二極管D均截止，Lm與Lr線性充電,；

② t=t1～t2：t1時刻,，S關(guān)斷，磁化電感電流即諧振電感電流以諧振方式對Cr充電,，開關(guān)管S漏源電壓uDS近似線性上升,；

③ t=t2～t3：t2時刻，uDS上升到Ui+uC,，DC開通,，將Lr和Lm串聯(lián)支路端電壓箝位在uC≈Uo(N1/N2)，磁化電流通過箝位支路對CC充電（CC>Cr）,u1下降規(guī)律為u1=-uCLm/(Lr+Lm),；

④ t=t3～t4：t3時刻,，u1已經(jīng)下降到使D正偏導(dǎo)通，隨后u1箝位在-Uo(N1/N2),，Lr和CC開始諧振,，Lr上的電壓為uC-Uo(N1/N2)，iC下降速率為[uC-Uo(N1/N2)]/Lr,，在iC開始反向之前開通SC,，SC便獲得了零電壓開通(ZVS)；

⑤ t=t4～t5：t4時刻,，SC關(guān)斷,，Lr與Cr諧振，在Cr放電期間u1仍然被箝位在-Uo(N1/N2)值上,；

⑥ t=t5～t6：t5時刻,，uDS=0,，假定Lr儲能大于Cr儲能，足以使S體內(nèi)寄生二極管Ds開通,，Lr上電壓箝位在Ui+Uo(N1/N2)值上,，則副邊整流二極管D中電流i2下降速率為

(Lm>>Lr)　　(1)

⑦ t6～t7：t6時刻S零電壓ZVS開通，隨著iLr上升,，i2逐漸下降,，t7時刻iLr已上升到磁化電流iLm值，i2=0,，D反偏,，u1由-Uo(N1/N2)變?yōu)閁i，隨后Lm和Lr再次線性充電,，新的PWM開關(guān)周期又開始了,。

要實現(xiàn)功率開關(guān)S的ZVS開通，必須滿足：①應(yīng)在t5～t6期間加驅(qū)動信號,，否則iLr過零變正后,，Lr將再次對Cr充電，功率開關(guān)S便失去了ZVS條件,。S開通與SC關(guān)斷的間隔應(yīng)有嚴(yán)格要求,，其值應(yīng)不超過Lr和Cr諧振周期的四分之一，即

    (2)

②SC關(guān)斷時Lr儲能應(yīng)不小于Cr儲能,，以便能將Cr上電荷抽盡,，即

    (3)

由上述分析可知，有源箝位反激變換器具有下列優(yōu)點(diǎn)：①箝位電容Cc將變壓器漏感中能量吸收并回饋到電網(wǎng)側(cè),，消除了漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰,，功率開關(guān)承受最小電壓應(yīng)力；②箝位電容Cc和諧振電容Cr與諧振電感Lr諧振,，使主輔開關(guān)均獲得了ZVS開關(guān)；③諧振電感Lr使整流二極管D關(guān)斷電流變化率減小,，降低了D反向恢復(fù)引起的關(guān)斷損耗和開關(guān)噪聲,。

3.關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計

3.1磁化電感Lm

磁化電感Lm大小決定了CCM/DCM工作模式的邊界條件，若系統(tǒng)工作在CCM模式,，則

   (4)

式中,，Pomin—電感電流臨界連續(xù)時輸出功率，F(xiàn)s—開關(guān)頻率

η—變換效率,，D—開關(guān)S占空比

3.2諧振電感Lr與功率開關(guān)S

功率開關(guān)S和箝位開關(guān)SC電壓應(yīng)力為

  (5)

式中最后一項為引入諧振電感Lr而導(dǎo)致的功率開關(guān)電壓應(yīng)力的增加,。

隨著諧振電感Lr的引入，實際有效占空比略小于開關(guān)S驅(qū)動信號占空比D,，丟失的占空比△D為

由式(3)可得

   (7)

式中Isp—功率開關(guān)峰值電流

而諧振電容電壓為

  (8)

UCr是諧振電感Lr的函數(shù),，精確地求解式(8)比較困難,。事實上，電壓ULr與Ui+(N1/N2)Uo相比較小,，因此功率開關(guān)S獲得ZVS開通的Lr值可近似表示為

  (9)

諧振電感電流iLr（即變壓器原邊電感電流）為功率開關(guān)電流iS與箝位電容電流iC之和,，其有效值為

3.3箝位電容Cc

Cc值的選取原則為：Cc與Lr的半個諧振周期應(yīng)大大于功率開關(guān)S的截止時間，即

    (11)

箝位電容電壓為原邊繞組電壓與Lr端電壓之和,，即

    (12)

箝位電容電流有效值為

3.4箝位開關(guān)Sc

箝位開關(guān)電壓應(yīng)力由式(5)決定,。由式（11）有

通過箝位開關(guān)Sc的電流（和iC相同）近似為一個鋸齒形波，峰值電流等于通過S的峰值電流,，箝位開關(guān)Sc及其體內(nèi)二極管Dc的導(dǎo)通時間均近似為（1-D）TS/2,，因此Dc中電流平均值和Sc中電流有效值分別為

3.5整流二極管D

有源箝位反激變換器整流二極管D承受的電壓應(yīng)力與傳統(tǒng)反激變換器相同，為Ui（N2/N1）+UO,，但電流應(yīng)力有很大區(qū)別,。由于有源箝位支路的引入，雖然磁化電感工作在CCM模式,，但D卻工作在DCM模式,，電流峰值IDp增大了，即

   (16)

D中電流有效值即為變壓器副邊電流有效值,，即

3.6輸出濾波電容Cf

輸出濾波電容Cf的電流有效值為

4.試驗結(jié)果

基于電流控制有源箝位反激變換器機(jī)內(nèi)穩(wěn)壓電源設(shè)計實例：Ui=18～32VDC,，三組輸出Uo/Io=+15V/1.0A、-15V/0.2A,、+5V/0.4A,，額定輸出功率20W，F(xiàn)S=300KHz,，Dmax=0.6,，η=78.5%，臨界連續(xù)功率Po,，min=1/6Pomax,，Lm=52.3μH，Lr=2μH,，Cc=0.47μF,，Cf=100μF，功率開關(guān)S與箝位開關(guān)Sc均選用IRF530,。+15V,、-15V、+5V三組輸出整流二極管分別為SR506,、1N5819,、1N5819，控制電路采用UC3843電流型PWM控制器,。輸入電壓Ui=27V時,，有源箝位反激變換器原理試驗波形,，如圖4所示。由圖4(a)可見,，變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰被消除了,，由圖4(a)、(b)可見,，主開關(guān)和箝位開關(guān)均實現(xiàn)了ZVS開關(guān),，由圖4(f)可見，整流二極管關(guān)斷時di/dt小,。試驗波形與圖2所示理論分析波形完全一致,。

5.結(jié)論

將有源箝位技術(shù)應(yīng)用于反激變換器，可克服傳統(tǒng)反激變換器的缺點(diǎn),，實現(xiàn)功率開關(guān)的ZVS開關(guān),；抑制功率開關(guān)的關(guān)斷電壓尖峰；降低副邊整流二極管的關(guān)斷損耗和開關(guān)噪聲,，從而可實現(xiàn)反激變換器的高變換效率,、高功率密度。