双管正激有源箝位变换器的分析及其仿真

西南交通大学学报

JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY

1999年 第34卷 第4期 Vol.34 No.4 1999

有源箝位双管正激变换器的分析及其仿真*

曹箫洪 许建平

摘　要　提出了一种新型软开关变换器——有源箝位双管正激变换器。它通过在双管正激变换器的变压器原边并联一个有源箝位网络，以实现箝位、去磁和零电压开关等功能。给出了这种变换器电路的详细分析过程和仿真结果，并得出了一些重要结论。

关键词　变换器；仿真；软开关；有源箝位网络

分类号　TM 56

Analysis and Simulation of a Novel Soft Switch Converter,

Active-Clamp Double-MOS Forward Converter

Cao Xiaohong　Xu Jianping

(School of Electric Eng., Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract　A novel soft switch converter, active-clamp double-MOS forward converter, is proposed in this paper. This kind of soft switch converter is developed by paralleling an active-clamp network on the primary side of the transformer of a double-MOS converter, and the active-clamp network is used to clamp the voltage across power switches, to demagnetize the transformer and to achieve zero-voltage-turn-on of the power switches, etc. Detailed analysis and simulation of the converter are performed, from which some important results are obtained.

Key words converters; simulation; soft switches; active-clamp networks

软开关PWM变换器是电力电子领域一个热门研究方向，目前它主要应用在小功率非隔离式开关功率变换器拓扑结构中，而隔离式开关功率变换器（单端正激、单端反激等）却在实际工程中大量采用。针对开关电源实际应用中存在的问题，提出了一种新型软开关PWM变换器拓扑——有源箝位双管正激变换器,并进行了分析和仿真。分析和仿真结果表明，这种新型变换器拓扑不但解决了双管正激变换器的软开关问题，而且使变压器励磁电流双向流动，使变压器B-H曲线工作在一、三象限，提高了变压器磁芯利用率，有利于减小变压器体积。

1　有源箝位零电压开关拓扑

有源箝位零电压开关(ACL-ZVS)的基本单元如图1所示，虚线框中为有源箝位网络。其中S c，

C c，

D c分别为辅助开关、箝位电容、箝位二极管；S m，D m分别为主开关及其体内寄生二极管；L r, C r分别为谐振电感和谐振电容。将此基本单元设置到BUCK,BOOST和BUCK-BOOST等常规硬开关PWM拓扑中，可以实现有源箝位零电压开关［1］。这种拓扑的突出优点是不仅能够实现开关的软化，更重要的是，它为准方波工作模式，开关应力小，可以实施成熟的PWM控制。因而由此构成的开关变换器不仅易于实现小型化、轻型化，而且由于它是恒频PWM控制方式，因此变换器的设计简单，滤波环节易于优化，电磁兼容性好。

图1　ACL-ZVS基本单元

2　有源箝位双管正激变换器工作原理分析

把有源箝位网络并联到双管正激变换器中的变压器原边，可得到图2所示有源箝位双管正激变换器电路。

图2　有源箝位双管正激变换器

其中：C1p，C2p，D1p和D2p分别为主开关S1和S2的寄生漏源电容和体内二极管，L m为变压器的励磁电感，T为理想变压器，变压器的漏感忽略不计。

在电感L f的电流连续工作模式下，图2中主要变量的稳态波形如图3所示。为了便于分析，图3中t1～t3，t4～T s+t0两段时间均进行了放大。在一个开关工作周期中，电路共具有6个工作状态，电路的工作过程如下所述：

（1）　状态1（t0～t1): 主开关S1和S2同时在t0时刻零电压开通，辅助开关S c处于截止状态。整流管D3导通，变压器激励电感L m中的电流I m线性上升。

（2）　状态2 (t1～t2): t1时刻，S1和S2同时关断，I m和负载电流折算到变压器原边的电流(I o/n)共同对电容C1p和C2p充电。由于电流较大，过程瞬速，可以认为是恒流充电。此区间D3依旧导通。 （3）　状态3 （t2～t3): t2时刻，V ds1=V ds2=0.5V in，V pri=0, 此刻D3反偏截止，D4续流。在原边，L m将和C1p和C2p发生谐振，C1p和C2p被谐振充电。

(4)　状态4 （t3～t4): t3时刻，V in-V ds1+V c=V ds2, 设V ds1=V ds2, 则当(V in+V c)/2=V ds1时，D c正偏而开通，C1p,C2p,C c和L m四者之间发生并联谐振。由于C1p<

（5）　状态5（t4～t5): t4时刻，C c放电至V c=V ds2时，达到其上的安秒平衡，这时关断S c。C1p, C2p和L m 重新谐振，C1p和C2p放电。t4′时刻,V ds1=V ds2=0.5V in, 变压器原边上的电压V pri上升到零, D3正偏开通，变压器储能的一部分传递到副边；

(6） 状态6（t5～T s+t0): t5时刻，C1p和C2p放电结束，这时D1p和D2p导通续流。在此区间开启S1和S2，为零电压开通。从而开始一个新的开关周期。

3　一些重要参数的选取

为了清楚起见，图3中(t1～t2),(t2～t3)，(t4～t5)，(t5～T s+t0)间隔都进行了放大，实际上这些间隔在整个开关周期中所占的比例很小，在实际的设计中，可以忽略这些间隔，对最后的结论影响甚微。当忽略掉上述间隔后，图3波形将同硬开关PWM变换器波形完全相同，因而功率主电路的设计同硬开关PWM变换器的设计方法完全相同。下面主要讨论箝位电容和谐振参数——励磁电感的选取。

图3　有源箝位双管正激变换器电路的一些重要波形

（1）　L m的选取：要使S1,S2零电压开通，则在t4′时刻L m中的储能除了维持输出外，还能抽走C1p和C2p上的全部电荷，即应满足下式

（1）

其中

（2）

（3）

这里I mpk,I opk分别为I m,I o的峰值，P o,V o分别为输出功率和输出电压，T s为开关周期。将式(2)和式 (3)代入式(1)，可得到一个关于L m的方程（4）。解此方程即可得到所需的L m值。

（4）

（2）　C c的选取：在变换器稳态工作时，变压器保持着伏秒平衡，即

V c(1-D)=V in D（5）

当设定V c的变动范围为△V c ，有

（6）

其中△I m为励磁电感L m在0.5D′T s内的电流变化

（7）

将式（7）代入式（6），可得式（8）

（8）

D′=1－D 为主开关截止占空比。

4　仿真结果及分析

为了验证以上的分析结果，对图2所示电路进行了Pspice仿真，在仿真分析中所参数为：

S1,S2,S c：IRF640;D1,D2,D3,D4,D c：MUR840;V in=48　V;V o=5　V;L m=30　μH;C c=0.4　μF;L f=38　μH;C f=80　μF;变压器压比：N=4:1;R o=0.5Ω;F s=100　kHZ。

主要仿真波形如图4所示。

图4　有源箝位双管正激变换器电路的主要仿真波形

图4所示仿真结果与上述有源箝位双管正激变换器工作原理分析结果一致。从图4(c)可以看出，变压器励磁电流是双向流动的，并关于I m=0对称，从而使变压器B-H曲线对称工作在B-H平面的一、三象限，使变压器磁芯利用率提高了一倍。从图4(a)和4(d)还可以看出，有源箝位双管正激变换器主开关管S1和S2均实现了箝位和零电压开通，S1和S2在开通时其上的“交叉损耗”减为零。

5　结　论

从以上的分析和仿真结果，可以得到许多很重要的结论，这其中有些结论对于零电压开关具有普遍的意义：

（1）　只要将励磁电感减小到一定值，主开关S1和S2和辅助开关S c均是零电压开通；

（2）　电路工作于准方波模式，主开关的导通时间和关断时间均是可调的， 谐振只占开关周期的很小一部分，即“部分谐振”。可以实施恒频PWM控制，电磁兼容性好；

（3）　谐振环节吸收了主开关的寄生参数C1p和C2p，减小了“交叉损耗”，使得开关频率的大幅度提高成为可能；

（4）　由于采用了有源箝位网络，使得谐振电压、电流幅值约束在一个较小的范围内，减小了开关的电压、电流应力，提高了开关的可靠性；同时使得励磁电流可以双向流动，磁滞回线位于一、三两个象限，提高了变压器的利用率，易于减小其体积；

（5）　箝位电容C c上的电压V c在变换器开始工作后，经过多个开关周期，自动稳定在一个定值上作小范围的波动。该定值与输入电压及变换器的占空比满足一定的函数关系；

（6）　S1,S2要实现零电压开通，须在状态6 (t5～T s+t0)内进行。因为此阶段变压器依旧处于退磁状态，D1p和D2p续流，V ds1=V ds2=0。但S1和S2开启后，变压器原边线圈依旧向输入电源馈能。为了保证V in能向变压器副边传递能量，则应使原边占空比大于一个下限值D min，即0＜D min＜D，从而使得（0, D min)成为原边占空比的“死区”。

曹箫洪：男，1971年生，硕士。

* 霍英东青年教师基金资助项目。

作者单位：曹箫洪 许建平(西南交通大学　电气工程学院　成都　610031）

参考文献

　1　胡志宏. 限幅式零电压开关变换拓扑. 博士学位论文. 成都：电子科技大学，1995

　2　Goran stojcic, Lee F C, Silva Hiti. Small-signal characterization of active-clamp PWM converters. VPEC Seminer Proc, 1995：237～244

　3　徐鹏. 有源箝位正激式高频二次直流开关电源模块的分析与设计. 现代电源技术,1997;(1)：1～9

收稿日期：1998-03-02

有源箝位双管正激变换器的分析及其仿真

作者：曹箫洪， 许建平， Cao Xiaohong， Xu Jianping

作者单位：西南交通大学,电气工程学院,成都,610031

刊名：

西南交通大学学报

英文刊名：JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY

年，卷(期)：1999，34(4)

引用次数：2次

参考文献(3条)

1.胡志宏限幅式零电压开关变换拓扑 1995

2.Goran stojcic.Lee F C.Silva Hiti Small-signal characterization of active-clamp PWM converters 1995

3.徐鹏有源箝位正激式高频二次直流开关电源模块的分析与设计 1997(1)

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本文链接：https://www.doczj.com/doc/f62041154.html,/Periodical_xnjtdxxb199904006.aspx

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