有源箝位正激变换器中励磁电流直流偏置问题的研究

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1 引言

　　在正激变换器中，有源箝位技术相对其他复位技术，比如RCD，LCDD而言具有如下优点：
　　(1)　　开关管的电流、电压应力小（约为1.3Vinmax）,便于开关器件的选择.
　　(2) 变压器复位过程中的损耗小,EMI和噪声比较低
　　(3) 实现开关管的零电压开通,减少了开关管的损耗
　　(4) 在主开关管关断的时候,有源箝位正激变换器相对于其他复位方式的正激变换器死区时间小,适合自驱动的同步整流技术.
　　因此,有源箝位技术在正激变换器中得到广泛的应用,但是由于变压器的漏感和开关管的寄生电容的存在,会使变压器的励磁电流产生直流偏置,而变压器的直流偏置会导致变压器的磁芯饱和、辅助开关管反并联二极管的反向恢复的问题，并有可能使辅助开关管失去零电压开通，因此有必要对励磁电流的直流偏置产生的原因进行分析。

2 理想情况下的有源箝位正激变换器的分析

　　图1 是不考虑变压器漏感和开关管寄生电容时的拓扑结构。

　　假定输出电感足够大，可以把它看成一个恒流源

,箝位电容足够大，可以把它看成一个恒压源Vc。变压器用一个励磁电感和一个变比为n=Np/Ns的理想变压器并联代替。图2是该电路的工作模式，它分为两个模态，图3是该电路主要参数的工作波形。

3 变压器励磁电流的直流偏置

　　图4是考虑变压器的漏感和开关管的寄生电容时的电路图，在这种情况下励磁电流回产生直流偏置，并且根据贮存在漏感和寄生电容中的能量不同，可分为正向和负向偏置。如图5所示：正向偏置会导致变压器的磁芯饱和、S2反并联二极管反向恢复的问题；负向偏置会导致S2失去零电压开通和变压器的磁芯饱和。

3.1励磁电流的正向偏置

　　励磁电流的正向偏置的原因是因为贮存在寄生电容中的能量比电感中的要多，由于考虑了寄生电容和电感的作用，电路4的工作原理和电路1不同，它共分为6个模态。
　　模态（1）：在t=T1时，主开关管S1开通，输出电流流经整流二极管D1，同时变压器的原边感应电流为

的斜率线性增加，在这个过程中，流经开关管S1的电流为两个电流的和，当t=T1时，S1关断，该模态结束。
　　模态（2）：当t=T1时S1关断，原边电流I0/n对电容Cs进行充电，在T2 时刻Vs1等于

，该模态结束。
　　模态（3）：当Vs1

时，变压器的负边电压等于零，变压器被短路，由于变压器漏感的存在，整流管D1中的电流不能立即减少为零，因此，D1和D2共同导通，

和Cs开始谐振，当t=T3时，D1中的电流减少为零，该模态结束，同时

等于励磁电流

，在这个阶段，由于变压器的原边和负边短路，励磁电流大小保持恒定。

　　励磁电流将有一个直流偏置。如图6的虚线所示，如果直流偏置量过大，在整个周期内

都为正，当S1开通时，励磁电流仍然流过S2的反并联二极管，因此将有很大的反向恢复电流从并联二极管流向S1，这不仅增加了损耗，同时也有可能损坏开关管。
　　在

阶段，根据能量守恒定律可得

3.2 励磁电流的负向偏置

　　当漏感中贮存的能量比寄生电容中的能量多时，励磁电流将负向偏置，和正向偏置一样，电路也有六个工作模态，其中模态1、2、5、6和正向偏置时一样，只有模态3和4不一样，下面就模态3和模态4进行分析。

　　在

时刻内，根据能量守恒定律可得

4 漏感和寄生电容对励磁电流直流偏置的影响

　　结合（3）式和（4）式，不论是正向偏置还是反向偏置都可以得到

　　可化为

　　由于

的时间很短，励磁电流的峰-峰值可以近似为

　　令

　　其中

是励磁电流的直流偏置量，

是贮存在寄生电容中的能量，

是储存在漏感中的能量，把（7）式代入（6）式可以得到

　　从（7）式可得，当

时，

>0，励磁电流正向偏置；当

时，

0
　　励磁电流负向偏置，这和前面的分析一致。对于一个特定的变换器

是定值，如果

足够大，

也是定值，因此励磁电流的直流偏置问题可以看成是完全有漏感和寄生电容决定的，所以在电路设计过程中，要合理设计变压器和选择MOSFET管，使

，从而避免励磁电流的直流偏置问题。

5 结论

　　从对理想和考虑变压器漏感和开关管寄生电容的有源箝位正激变换器的各种工作模态的分析可以得出：理想情况下的有源箝位正激变换器不存在直流偏置问题；而当考虑变压器漏感和寄生电容的作用时，变压器的励磁电流将会产生直流偏置，并且根据储存在漏感和电容中的能量不同可以分为正向偏置和反向偏置。励磁电流的直流偏置回带来变压器的磁芯饱和、辅助开关管的硬开通以及二极管反向恢复的问题，不仅使有源箝位技术的优点大大降低，而且有可能使电路不能正常工作。因此必须合理设计变压器和选择MOSFET以避免励磁电流的直流偏置问题。

参考文献

1:C.S.LG.Hua and F.C.Lee,”Comparison of forward topologies with various reset shemes”HFPC Conf.Proc.pp.198-208,1992
2:D.Datal and L.Wofford.”Novel conrol IC for single-ended active clamp converters”HFPC Conf.Proc.pp.136-146,1995.
3:B.Andreycak.”active clamp and reset technique enhances forward converter performance,”Untrode Power Supply Design Seminar,SEM-1000.pp.3-1-3-18,1994

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