有源钳位正激变换器的功率损耗分析

摘要：本文详细阐述了有源钳位正激变换器的工作原理，分析了各工作模态的功率损耗，得出了功率损耗与励磁电感间的关系。经理论推导证明存在着一个最优的励磁电感值，可以使得变换器功率损耗最小，输出效率最高。 叙词：有源钳位 功率损耗 励磁电感 最优的 Abstract：This paper represents the operations of active-clamp forward converter in detail. By analyzing the power dissipation of each operation state, the relationship between the power dissipation and the magnetizing inductance of the isolation transformer is got. It is verified theoretically that there is a non-infinite but optimal magnetizing inductance for the least dissipation and highest output efficiency of the converter. Keyword：active-clamp power dissipation magnetizing inductance optimal
1.概述
当前，市场对高功率密度、低压/大电流DC-DC模块电源的需求与日俱增。由此推动了其相关技术的研究与发展。在适合低压/大电流应用的DC-DC变换器拓扑中，常用的有基本的BUCK或同步整流BUCK拓扑。但是由于BUCK变换器的占空比D很小，如果要求输出电压低于1V，而一般的分布式电源系统（DPS）的母线电压为12V 或48V,这样占空比将小于10％，表明有效的功率转换只发生在整个工作周期的10%时间内，其余90%时间里负载靠输出大电容提供能量，使得变换器的效率降低。采用反激变换器或正激变换器拓扑，可以增大占空比，提高效率。但反激变换器，在其反馈环路分析中，带有气隙的变压器电感会在右半平面有个零点，这就使得连续模式（CCM）下的闭环补偿十分困难。另外，由于二次侧没有输出低通滤波器，所以需要一个较大的电容。与反激变换器相比较，正激变换器输出侧虽然多一个电感，但这降低了对输出电容的要求，其构成的LC滤波器非常适合输出大电流，可以有效的抑制输出电压纹波，所以正激变换器成为低压大电流功率变换器的首选拓扑。
然而，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磁复位。为了在较高频率下获得较高效率，采用有源钳位复位方法。与传统的复位方法比较，有源钳位复位电路提供了变压器的磁通复位路径，因而不需要复位绕组或是有能量损耗的RCD复位电路。不仅使变压器结构简化，而且提高了变换器的效率。
如何提高效率是我们一直努力的目标，本文将在已选的拓扑上，通过分析变换器的功率损耗，得出在一定的磁链的关系下，选择一个最优的励磁电感，可以使变换器的损耗最小，从而进一步提高效率。

2.工作原理

图1　 有源钳位正激变换器拓扑

fig1.active-clamp forward converter

　　为方便分析，二次侧的二极管看成是理想的，仅考虑有源开关S1的体二极管，其他寄生参数忽略。图1为正激变换器的有源钳位拓扑，图中变压器等效为励磁电感 ,漏感 和匝数比为n=N1/N2的理想变压器。图2给出了主开关S1和辅助开关S2的驱动信号。下面把一个开关周期分为四个模态进行分析。

图2　开关S1和S2的驱动信号

fig2.　The driving signal of S 1 and S2

开关模态1(图3)

图3　模态1等效电路

fig3. The circuit operation in state 1

主开关S1在t0时刻导通，钳位开关S2断开，变压器初级线圈受到输入电压Vi作用，励磁电流线性增加，初级侧流过电流i1。二次侧D1导通，D2截止，电感电流 流经二次侧，功率通过变压器传输到二次侧。

开关模态2（图4）

图4　模态2等效电路

fig4. The circuit operation in state 2

t 1时刻S1关断，电流i2流过S2的体二极管，加在变压器一次绕组的电压变为负，D1关断，续流二极管D2导通，变压器不再向负载传输能量，直到下一个开关周期主开关再次开通。

开关模态3（图5）

图5　模态3等效电路

fig5.The circuit operation in state 3

t2时刻，钳位开关S2导通，S2实现了零压开通，钳位二极管自然截止，励磁电流开始经过S2 反向流动，记为i3。

开关模态4（图6）

图6　模态4等效电路

fig6.The circuit operation in state 4

t3时刻，钳位开关S2关断，电流i4流过S1的体二极管。

3.功率损耗分析

S1在t0～t1时间内开通，这段时间里变压器的磁链 可表示为：

实际上开关S1的导通时间很短，可以认为变压器的磁链

为一个恒定值。励磁电流可表示为：

在考虑励磁电感的变压器电路模型中，励磁电感

用式（1）表示，原边电阻

用（2）式表示。

其中Rm是铁心磁阻，h为初级绕组每匝的平均阻值，变换器的功率损耗与励磁电感、励磁电流、绕组的阻值有关。下面将逐一分析各工作模态功率损耗，从而得到它们之间的关系。