DC-DC正激变换器次级有源箝位电路

1 前言

图1为正激变换器次级拓扑结构电路，VD1为整流二极管，VD2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。当初级开关管开通时，VD1导通，VD2截止，初级能量向负载转移;当初级开关管关断时，VD1关断，VD2开通，滤波电感电流通过VD2续流。以上只是理想状态，若考虑功率二极管的反向恢复特性和变压器漏感，当VD1(或V D2)处于反向恢复期时，有一冲击电流流经变压器，并将能量储存于变压器漏感中，此能量将使二极管承受较大的反向电压冲击。这样一方面需选用较高耐压等级的二极管，另一方面产生的EMI也较大。此外，由于变压器存在绕线电阻，此能量会使变压器发热。如何有效处理漏感能量呢? 最常用的办法是将无源RC缓冲电路与每只功率二极管并联，如图2所示，使漏感能量都消耗在缓冲器上。工作频率越高，缓冲器消耗的能量越多，因此，变换器频率和效率都不高。下面 将介绍一种有源箱位电路，它能将功率二极管反向电压籍位在一较低范围内，并且能量回收电路将漏感所存储的能量无损耗地转移到负图1 DC载，便于实现变换器的小型化。

图1 正激变换器次级拓扑结构电路

图2 带RC缓冲电路的功率二极管

2 电路原理分析

DC 一DC 次级有源籍位电路如图3所示，L2表示变压器次级的漏感，由VDI,VD2,VD3,VD4,C1组成全桥结构籍位电路，VD1,V D2是正激变换次级主整流二极管和续流二极管。对于这种全桥结构，加在每个主二极管上的最大反向电压就

图3 DC 一DC 次级有源籍位电路

是电容CI的电压。因此，如果能将C1电压籍在小于每个二极管的最大反向电压，二极管就可实现安全籍位了VT3,L3 ,V D5,C: 组成升一降压式的能量回收电路。下面将分5个阶段对DC -DC次级有源籍位电路一个周期内工作过程进行分析，参见图4(图中纵坐标比例不一致)。

为了便于分析，作出如下假设:

(a) 输出电感Lf足够大，在一个开关周期内，其电流基本保持不变，因此L:和C;以及负载可看成一个电流为I。的恒流源;

(b) 变压器除考虑次级漏感外视为理想器件;

(c) 主二极管VD;和续流二极管VD:除考虑

反向恢复特性外其它均不考虑;

(d) 其它元件都是理想的。

(1) t0一 t1

to时刻 ， 变换器初级开关管开通，变压器次级线圈电压U,翻转为Up,;/k，其中叽*为初级直流电压，k为变压器初次级匝比。整流二极管VD,正向偏置导通，流过玩、VD,的电流线性增长，增长率为di/dt= U sec/L 2。由于二极管的反向恢复特性，VD2 尚未关断，IVD2以相同的速率减小，但总的I0不变。

(2) t1一 t2

IL2 在 t; 时刻达到最大值IL2(max)二Io+IRR其中IRR为VD:的反向恢复电流峰值。t1时刻，VD2反向恢复期结束后关断，VD2上开始有反向电压，籍位二极管VD;导通。此时，籍位电路将加在VD:上的反向电压籍位为C1的电压，L:上多余的能量向C1转移，IL2下降，Uc，增加。t:时刻，IL2= I0 ,VD 4 关断

可以计算出这段时间转移到C2上的能量为:

(3) t2一 t3

t2时 刻 ， VT3开通，而在此之前，IL3=0，因此V T3实现了零电流开通，开通损耗很小。C1上储存的能量通过负载一L3-V T3通路向负载和L3转移，IL3增加。由于I。不变，IVDI将减小。t3时刻，C1复位

(4) t3 一 t4

t3时刻，变换器初级开关管关断，同时VT 3关断，I0和IVDI线性减小，减率di/dt=U},/L29I V D 2以相同速率线性增加。储存于L3上的能量转移到C:上，IL3减小，其减小率为dIL3/dt=一Uo/L3。若忽略R3损耗，(因为在模块正常工作时R3上消耗的功率约0.3W ),C: 与负载并联，这样L3上的能量就转移到负载上去了。

图4 箱位电路工作原理波形

(5) t4 一 t5

t;时刻 ，IL2和，VDl达到负的，RR，而IVD2达到最大值，ID2(MAX)=Io+IRR,VD1关断，籍位二极管V D3开通。此时，加在VD1上的反向电压为籍位电容C1的电压，漏感上的能量通过V D2-Cl-VD3-L:通路向C,转移，UCi增加。t5时刻，IL2 为0，这段时间转移到C1上的能量为:

t5时刻后 ，输出电感通过VD:续流，以维持输出电流连续。此后开始新的周期，状态同(1)。

3 、性能分析

3.1 、能量分析

由于变压器的漏感与绕制工艺和磁芯材料有关，为了简化分析在这里将它看成一常量。由以上分析可知:在一个开关周期内漏感所储存的能量为

那么单位时间内漏感所储存的能量为

式中，f为变换器的工作频率)。若采用RC缓冲器与主二极管并联，这部分能量全消耗在缓冲器上。由该式可看出，P与f成正比，这使得采用RC缓冲器的变换器工作频率和效率难以提高。若采用本文介绍的能量回收电路，这部分能量全部转移到负载上，有利于提高工作频率和效率。

3.2 有源箱位分析

由以上分析可知，在一个开关周期内漏感所储存的能量均转移到籍位电