正激功率变换器磁复位技术分析研究

摘要：正激变换器的一个固有缺点是功率开关管截止期间变压器必须复位，而其本身又无复位能力，所以需要采用专门的复位措施。本文介绍了三种常用的磁复位技术和一种新颖的自动复位技术，并比较了它们的优缺点。

叙词：正激变换器 有源箝位 自动复位 电源

Abstract：The essential drawback of forward power converter is its flux of transformer has to be rested during the transistor off time. And itself has no capability of reset. So it need a special method for resetting. Three common flux reset technologies and a novel auto-reset method are introduced in this paper. Also its advantages and drawbacks are compared.

Keyword：forward converter active-clamp auto-reset

1.引 言

正激变换器是最简单的隔离降压式DC-DC变换器，在高功率，低压大电流电源模块技术发展日益迅速的今天，其拓扑形式越来越受到关注。但正激变换器的变压器励磁电感磁通在每个开关周期必须复位，以保持其伏秒数平衡和防止铁心饱和，而且励磁电感在饱和之前是不能储存太多的能量的。因为饱和变压器的行为就跟短路一样，所以在每个开关周期就必须用附加的电路来转移励磁电感中的能量，即采用去磁复位措施。下面将介绍几种去磁复位技术，分析它们的工作过程及优缺点，并对它们进行了比较。

2.多谐振复位技术

图1所示的是由一个谐振电感和谐振电容构成的零电压多谐振复位电路。该复位电路的优点是由于增加了一个谐振电感Lr和谐振电容Cs，可以获得所有器件的软开关，因此变换器可以工作在较高的频率，有利于减少磁性元件的体积，从而减少变换器的体积。而且输入电流波形较为平滑，EMI性能好。但也存在一些不足，由于谐振的原因，使得变压器原边主开关管漏源电压VDS的电压应力通常是输入电压的3-4倍，所以就需要耐压等级高的MOSFET，这无疑将增大MOSFET的导通损耗。

图1 零电压多谐振正激变换器

fig1.Forward　ZVS-MRC

3.RCD箝位技术

RCD箝位技术简单，价格低廉，在对变换效率要求不是很高的场合仍具有较大的使用价值。由电阻R，电容Cc和二极管Dc组成的RCD箝位复位电路及波形如图2所示。为了便于分析，假设输出滤波电感L，箝位电容Cc足够大，可分别按电流源Io和电压源Vc处理，在稳态工作时，每个PWM开关周期分为六个区间：

(1) t0~t1：S，D1导通，直流电源通过变压器向负载输出能量。在这段时间里箝位二极管Dc和续流二极管D2截止;

(2) t1~t2：在t1时刻S关断，D2将开通，D1中电流逐渐减小，D2中电流逐渐增大，S的输出电容Cs近似地看成由负载折算到原边的电流Io/N线性充电，直到Cs上电压为Vi为止;

(3) t2~t3：t2时刻，VDS上升到Vi，D1关断，D2导通，Cs继续由磁化电流Im充电，一直到t3时刻VDS=Vi+Vc;

(4) t3~t4：t3时刻Dc开通，VDS保持在Vi+Vc值上，磁化电流Im的变化率为-Vc/Lm，到t4时刻下降为零;

(5) t4~t5：t4时刻，磁化电流衰减到零，Dc关断，Lm与Cs开始谐振，Cs向Lm放电，一直持续到VDS降为Vi;

(6) t5~t0：在t5时刻，VDS=Vi，D1开通，磁化电流通过D1流动而保持恒定，这段死区时间变压器端电压为零。在t0时刻S再次开通，开始了新的一周期。

通过上述分析可知，变压器工作在一三象限，提高了铁芯利用率。根据据变压器伏秒面积平衡原理，钳位电容电压为：

上式中N为变压器匝比，Vo为输出电压，磁化电流地变化量为：

在t4~t5期间Lm与Cs谐振，Cs上能量的减少应等于Lm上能量的增加，即

，则磁化电流最小值：

磁化电流最大值为：

上式中Ton，Ts分别为导通时间、周期，Lm为磁化电感。

这种复位技术的优点是线路简单，占空比d>0.5，功率开关电压应力低。其不足是大部分能量消耗在箝位电阻中，不仅降低了效率，而且带来了散热设计的问题。

4.有源箝位技术

有源箝位技术省去了传统复位电路中所需的附加绕组或有能量消耗的RCD复位电路。其电路原理和波形图如图4所示。同样假设输出滤波电感L和箝位电容Cc足够大，将其作为电流源Io和电压源Vc处理，每个PWM周期可分为7个阶段，其中t0~t3与t6~t7阶段分别与RCD箝位的t0~t3和t5~t0阶段相同。下面仅分析不相同的t3~t6阶段。

(1) t3~t4：t3时刻，Vds上升到箝位电压Vc与Vi之和Dc开通，设开关频率

，即箝位电压基本保持不变。

(2) t4~t5：t4时刻磁化电流降为零，随后变负，箝位开关Sc导通，Sc实现零电压ZVS开通。

(3) t5~t6：t5时刻，Lm与Cs开始谐振，以负值磁化电流放电，能量回馈到电网及转移到Lm中。

通过上述分析可知，功率开关S的电压应力为：

在相同的N、Vo下，当输