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ZVS-PWM正激变换器有源箝位磁复位技术的研究
刘飞;韦克康;邵闻博;胡广艳
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2008(025)001
【摘要】在有源箝位ZVS-PWM正激变换器中,变压器的磁复位技术是其中最关键的一项技术.文章结合仿真和初步的试验结果对有源箝位ZVS-PWM正激变换器的整个工作过程中的能量流动进行分析,总结出使变压器有效磁复位以及开关管ZVS 开通的方法.
【总页数】4页(P22-25)
【作者】刘飞;韦克康;邵闻博;胡广艳
【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京,100044;北京交通大学电气工程学院,北京,100044;北京交通大学电气工程学院,北京,100044;北京交通大学电气工程学院,北京,100044
【正文语种】中文
【中图分类】TM86;TN712
【相关文献】
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一种原边带箝位二极管的ZVS移相全桥变换器
皮之军;康勇
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2006(23)2
【摘要】移相全桥零电压变换器是中大功率直直变换场合的理想拓扑之一,但在其输出整流二极管反向恢复时,整流桥产生寄生振荡,二极管上存在很高的尖峰电压.这将带来电路损耗,并影响整流桥的使用寿命.本文介绍了一种原边带箝位二极管的电路形式,它能够很好地抑制寄生振荡,消除尖峰电压,分析了其工作原理,制作了一个5.5 kW样机,并给出了加二极管前后的对比实验结果.
【总页数】5页(P23-26,29)
【作者】皮之军;康勇
【作者单位】华中科技大学,湖北,武汉,430074;华中科技大学,湖北,武汉,430074【正文语种】中文
【中图分类】TN712
【相关文献】
1.ZVS移相全桥变换器的优化设计与仿真 [J], 于仲安;葛庭宇;何俊杰
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郝帅;曹虎
5.基于ZVS负载范围的移相全桥变换器参数优化设计 [J], 何俊鹏;张润泽;白旭峰;郝帅;曹虎
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一种在全负载范围内实现ZVS的有源箝位反激变换器0 引言传统的反激变换器反激变换器，因其相对简单的电路结构以及能实现升降压功能而在DC ／DC场合中得到了广泛使用．但是，由于反激变换器的变压器同时还兼作为电路中的电感使用，所以气隙较大，不可避免的漏感也较大。
在电路原边开关管关断时，该漏感会和原边开关管上的结电容产生寄生振荡，从而在原边丌关管上产生电压尖剌，使之承受高的电压应力，同时，该振荡还是一个EMD源，给电路带来EMI方面的问题。
传统的RCD箝位电路将存储在变压器漏感中的能量，全都消耗在箝位电阻上，在一定程度卜缓解了这个压力，但是，降低了电路的效率。
如果采用一个有源箝位有源箝位的电路来取代传统的RCD箝位电路的话，就能很好地解决这个问题。
1 有源箝位电路典型的有源箝位电路。
有源箝位的反激变换器除了能将漏感上的能量反馈到输出，提高电路效率外，还具有以下几个优点：首先，电压箝位效果良好，能减少开关管上的电压应力；其次，电路原边的主管和辅管都可实现ZVS，从而减少电路的开关损耗。
这个特性对于高压输入的场合特别重要。
由于开关管上的电压是谐振到零的，这样既限制了电压关断时的dv／dt，同时箝位电容和变压器原边谐振电感的谐振还限制了副边整流管关断时的di／dt；通过恰当地设计箝位电容的值，还可以实现副边整流二极管的ZCS，从而减少或消除了整流管的开关损耗和由于二极管反向恢复引起的开关噪声，从而有效地减少了电路的EMI。
正是由于这些优点，有源箝位反激变换器受到厂业界的重视。
该电路不但可以作为普通的DC／DC变换器使用，而且还可以用作一个性能优良的PFC电路。
传统的反激变换器中存在着“电感电流连续(CCM)”和“电感电流断续(DCM)”两种不同的工作状态。
这两种不同的工作状态在有源箝位反激变换器当小也分别体现不同的工作特点。
CCM的有源箝位反激变换器和传统的反激变换器一样，在一个开关周期内，变压器原边的激磁电流始终大于零；而DCM的有源箝位反激变换器中变压器原边的激磁电流却会出现断续的状态，当激磁电流到零的时候，在箝位电容的作用下，变压器原边的激磁电流将反向流动，从而在一个开关周期内体现为一个正负交变的量。
有源钳位正激变换器的理论分析和设计方法，有源钳位，正激变换器，零电压软开关1引言单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。
在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。
当今，节能和环保已成为全球对耗能设备的基本要求。
所以，供电单元的效率和电磁兼容性自然成为开关电源的两项重要指标。
而传统的单端正激拓扑，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬开关工作模式，决定了该电路存在一些固有的缺陷：变1引言单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。
在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。
当今，节能和环保已成为全球对耗能设备的基本要求。
所以，供电单元的效率和电磁兼容性自然成为开关电源的两项重要指标。
而传统的单端正激拓扑，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬开关工作模式，决定了该电路存在一些固有的缺陷：变压器体积大，损耗大；开关器件电压应力高，开关损耗大；dv/dt和di/dt大，EMI问题难以处理。
为了克服这些缺陷，文献[1][2][3]提出了有源钳位正激变换器拓扑，从根本上改变了单端正激变换器的运行特性，并且能够实现零电压软开关工作模式，从而大量地减少了开关器件和变压器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了电磁兼容性。
因此，有源钳位正激变换器拓扑迅速获得了广泛的应用。
然而，有源钳位正激变换器并非完美无缺，零电压软开关特性也并非总能实现。
因而，在工业应用中，对该电路进行优化设计显得尤为重要。
本文针对有源钳位正激变换器拓扑，进行了详细的理论分析，指出了该电路的局限性，并给出了一种优化设计方法。
2正激有源钳位变换器的工作原理如图1所示，有源钳位正激变换器拓扑与传统的单端正激变换器拓扑基本相同，只是增加了辅助开关Sa（带反并二极管）和储能电容Cs，以及谐振电容Cds1、Cds2，且略去了传统正激变换器的磁恢复电路。
一种新颖的ZVZCS双管正激变换器零电流零电压开关双管正激有源钳位1背景介绍在中小功率应用场合，正激功率变换器因其具有结构简单等特性而具有较大的优势。
为了减少主开关管上面的电压应力，提出了双管正激变换器。
但是，传统的双管正激变换器的占空比不能超过50%，从而阻碍了该变换器更进一步的应用。
文献[1-10]提出了主动钳位、谐振复位等方法来解决占空比限制的问题，然而上述文献中并没有实现双管正激变换器的全软开关。
随着电力电子技术的不断提高，IGBT在大功率高电压功率变换器中的应用越来越多，因此，零电流开关也越来越重要。
本文提出的变换器既解决了传统双管正激变换器占空比50%的局限问题，又使得主开关管以及变压器副边二极管实现了电压、电流软开关。
图1 ZVZCS双管正激变换器图2 变换器工作波形2工作原理图1是本文提出的开关双管正激变换器原理图。
该电路中双管正激部分用来给负载传递能量，变压器原边的有源钳位电路用来实现主开关管S1和S2的零电压开关以及变压器的复位，副边的谐振电路用来实现主开关管和副边二极管的零电流开关。
图2给出了各个开关管的开关信号和电压、电流波形。
从图2中可以看出，该电路每个工作周期可以分成9个阶段，每个阶段的等效电路由图3给出。
为了简化说明，该电路各个阶段的过渡过程所用时间均适当的放大。
9个工作阶段的工作描述如下：图3 各阶段等效电路图图4 输出滤波电感上两端电压(1)零电流关断阶段（t1~t5）：在t1时刻S4开通，由此引发了Lr和Cr的谐振开始，电流ir流过Lr、Cr、S4，并从零开始增加。
在电流iLr到达最高值之后开始下降，最终反向流过Da、Cr、Lr。
在该阶段中，主开关管S1和S2上面的电流与iLr保持同步，既先上升然后下降。
t3时刻，反向的谐振电流iLr供给负载能量，而谐振电容Cr上面的电压大于Vm/n的电压，因此整流二极管Dr反向阻断，变压器原边不给副边提供能量，输入电流基本为零。
一种在全负载范围内实现ZVS的有源箝位反激变换器
董文辉;陈辉明
【期刊名称】《电源技术应用》
【年(卷),期】2005(008)007
【摘要】介绍了一种能在全负载范围内实现ZVS的有源箝位反激电路。
该电路不但能循环利用漏感的能量，减小开关管的电压应力，实现原边主管和辅管的ZVS，同时还能限制副边整流管关断的di／dt，从而减少了整流管的开关损耗和由于二
极管的反向恢复引起的开关噪声。
对该电路的工作模态进行了详细的分析，同时给出了电路中主要元器件的设计依据。
一个100W的实验样机验证了该电路的软开
关特性。
【总页数】6页(P9-13,18)
【作者】董文辉;陈辉明
【作者单位】浙江大学，浙江杭州310027
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.一种新型有源箝位推挽ZVS Boost变换器 [J], 张华;朱忠尼;刘伟明
2.一种有源箝位正反激变换器的研究 [J], 郭冠亚;马瑜;谢小高;钱照明
3.用于电机控制系统的有源箝位ZVS 反激变换器的工程设计 [J], 汤建新;梁志刚
4.一种有源箝位ZVS半桥逆变器 [J], 张峰;李睿;凌志斌;蔡旭
5.可全负载范围实现ZVS的复合式全桥三电平变换器 [J], 陈武;阮新波
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有源钳位正激变换器的分析与设计电气持动1999年第1期有源钳位正激变换器的分析与设计南京航空航天大学陈道炼严仰光,,——一——————一T}2Ll,摘要:丰文论述了有源钳位正融变换器的原理与设计利用有源钳位电路宴现功率变压器对称磁复位.部分磁化能量用来对功率开关寄生电蒋放电到零,宴现零电压开关.有谅钳位技术增强了正激变换器性能实验证宴了理论分析的正确性关键词:毛器量皇茎苎登堂堡瓣AnalysisandDesignofanActiveClampedForwardConverter ChenDaolianYahYangguangAbstract:Theanalysisanddesign.fanactireclampedforwardcoHverterIspresentedinthispa perByulganactiveclampedcircuit1thepowertrans,"ormerisymmetricallymagneticreseted.andapar tofmagnetizingen—ergyisusedtodischarge:heparasiticcapachan.eofthepowerwitchtozeiardertOobtainzer.vo ltageswitchAclireclampedtechra[quec-nbancestorwardC0nverteperformanceandthetheorica lanalysisisverifiedbythee~perJmentalresultKeywords~rwardCo.vett~r…voltageswitchactiveclamped1概述由于正激DC/DC变换器具有电路拓扑简单,输入输出电气隔离.电压升,降范围宽,易于多路输出等优点,因此被广泛应用于中小功率电源变换场合然而,正激变换器的一个固有缺点是需要附加电路实现变压器磁复位采用磁复位绕组正激变换器--的优点是技术成熟可靠.磁化能量无损地回馈到直流电网中去.但附加的磁复位绕组使变压器结构复杂化.变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲电路来抑制,占空比d<0.5,功率开关承受的电压应力与输入电源电压成正比.RCD钳拉正激变换器的优点是磁复位电路简单,占空比d可以大于0.5,功率开关承受电压应力较低.但大部分磁化能量消耗在钳位电阻中,因此它一般适用于变换效率不高且价廉的电源变换场台.无损LCD缓冲网络正激变换器¨j的优点是磁化能量无损地回馈到电网中,占空比d>0.5当开关频率太于30kHz时,过大的LC谐振电流增加了功率开关的导通损耗,因而通常应用+本文为航空基础科学基金,较自进课题资助项目研究内容30在开关频率为20kHz的场合采用有源钳位支路实现正激变换器变压器磁复位,比上述3种传统的方法优越,主辅开关均可实现零电压通断,这是零电压转换ZVT—PWM技术在正激变换器中的具体应用.本文将详细论述这种变换器的工作原理和设计要点2工作原理在传统正激变换器电路拓扑基础上,增加由钳位开关Sc与钳位电容Cc串联构成的有源钳位支路,便得到了有源钳位正激变换器,如图l所示.钳位开关Sc与主功率开关S的驱动信号互补.由变压器原边绕组伏秒积平衡原理可知,图1a电路钳位电压为式中d——占空比式(1)与Flyback变换器相似,称之为单端反激式Flybaek钳位(简称Flyback钳位).圈lb电路钳位电压为电气传动1999年第1期1bJ囤1有潍钳位正敲变换器(&)F[yback钳位<b)Boost钳位1U=U.(2)』I^式(2)与Boost变换器相似,称之为升压式Boost 钳位(简称Boost钳位).这两种钳位电路工作原理基本相同,只是回馈到输人电源中的电流谐波不同.本文以Flyback钳位电路为研究对象,其研究结论同样适用于Boost钳位电路.假设输出滤波电感L和钳位电容C足够大.因此可将其分别作为电流源和电压源处理,简化电路及其原理波形如图2所示(L为变压器磁化电感).每个PWM周期可分为7个区间,每个区间等效电路如图3a～g所示7个区间的电路变化过程叙述如下.to～l:t.时刻,S开通,Dl导通,D2截止,如图3a所示.t.～t:t时刻,S关断,负载折算到原边的电流』./Ⅳ对Cs充电,如图3b所示.t2～:t￡时刻.U上升到『,,Dl关断,D2开通,L上能量对Cs充电即二者谐振,使Ud上升, 如图3c所示.t～:t时刻,U上升到钳位电压U与fJT.之和,Dc开通,设开关频率,s>>1/(2n _——,/LC,),即钳位电压U基本不变,如图3d所示. t～￡::t时刻,磁化电流i为零,随后i变负,钳位开关Sc导通,Sc实现了零电压ZVS开通,如图3e所示.t=～t6:ts时刻,Sc关断…I.与C开始谐振,C以负值磁化电流放电,能量回馈到电网及转移到工中.如图3f所示.t6～(c):tB时刻,U下降到.D开通.D.与D共同导通期间为i在副边续流提供了路径,t时刻S再次开通,开始另一PWM周期,如图3g所示.欲获得功率开关S的ZVS开通,可用两种方法实现一种方法是变压器铁心加气晾,降低L增大磁化电流,当Sc在t时刻关断的磁化电流大于负载折算电流/N,则这两个电流的差值将使得C在t时刻之后继续放电.或者说磁化电流除了支持输出电流之外.剩余电流将用来使C放电,即将C上电荷抽尽.这种方法消除了功率开关S的容性开通损耗,但却增加了变压器铁损.另一种方法是在副边整流二极管D.中串联一饱和电抗器,延缓D.的开通时刻,即饱和电抗器暂时将变压器和负载断开.整个磁化电流将全部用来对C放电,但高频时饱和电抗器损耗较大fh)圉2简化电路丑其原理波形(a)简化电路(b)原理渡形3lⅢ电气持动1999年第1期图3每十等效电路f),～ifb"f～fJ～(d)～f)～ffJ,～6(g)～3关键参数设计3.1功率变压器设计接通电源,经历若干PWM周期后.钳位电容自动充电到某一稳态值U=u,它可保证铁心双向对称磁化任何铁心双向不对称磁化因素都会导致￡值适度的变化,从而迫使铁心双向对称磁化.设图2b中磁化电流渡形双向不对称, 即,的正向最大值太于负向最大值,则C的充电能量大于放电能量,因而十一/L十一i下降速率十一迫使.(即磁通)双向对称.有源钳位正激变换器的这一特点具有显着优点,克服了传统正激变换器变压器铁心利用率低的缺点, 进一步增强了正激变换器性能和工程应用价值, 较全桥,推挽变换器(存在单向偏磁现象)要优越得多.它同半桥变换器相似,具有抗磁不平衡能力,其根本原因是钳位电压或者说功率开关漏极电位具有浮动特陛.变压器原边绕组匝数为,'N一素等×10'(3)式中B一一铁心工作磁密S——铁心截面积t——功率开关导通时间由式(3)可知,绕组匝数是传统的复位绕组RCD正激变换器的一半,降低了铜损32占空比d设计功率开关S的电压应力为Ud,--U一一㈥32式中Ⅳ——变压器匝比变换器输出电压在相同的Ⅳ,U.下,当输^电源电压F增大时,占空比d减小,功率开关S电压应力变化不大.如图4所示.一般选取一一o75.该特点(可夫于0.5,但变化不大)使得它很适用于宽输入电源电压场合.例如,航空静止变流器输八电压U.一18～32V,选取有源钳位正激变换器作为DC/DC变换级最台适图4功翠开关电压应与占空比美系3.3钳位电容C设计钳位电容C值由钳位电压纹波3U:决定c越大.越小,功率开关S电压应力越小.但对电源电压或负载变化时的变换器状态响应速度也变慢设△:<<U,则在(1一d)丁区问内变压器磁化电流(钳位电容电流)近似按恒定斜率u./三下降,如图2b所示.由图2b可知,钳位电容电压纹波为1一Idt—I(1d)7';儿4C1()cJ式(5)中,J为t--t时磁化电流值.稳态时i即i的下降斜率为/L一J/寺(1一d)丁](6)由式(5),(6)可知,,/U为电气传动1999年第l期((=(1一d):T:/(8L(,1(7)由式c4)町知.功率开关电压应力纹渡己d,一.3U,因此虬一等=㈤按照d—d…最坏情况设计,取儿≤l0%或≤10%.3,4功率,钳位开关驱动延迟时间设计图2b原理波形示出r功率开关S与钳位开关S驱动信号延迟时间f:,合理没计r.与r:是实现有_碌钳位正激变换器的关键问题之一延迟时间过大.影响有效占空比延迟时间过小,满足不了要求S关断与S开通的时问间隔为r!≥一=2r,√L…C4(9)式(9)为l,C谐振电路的14谐振周期S关断与S开通的时间问隔为f一.<r<--t若忽略2一l,则3一l≈一t2='一.因此可得2ⅡLH<r<(i—d)71/!(10)式(9),式(10)按最坏情况(U.d—d…一U一)来调节RC延迟电路参数4实验航空静止变流器采用DC仁K二变换器和DC AC逆变器两级级联的电路拓扑结构DC/DC变换器将输入电压U.=18～32V,升高到稳定的l90VDC,仁K二AC逆变器再将190VDC逆变成115V400HzACDC/DC变换器,DC/AC逆变器各自构成闭环控制系统.考虑到输入电网电压变动范围大,且飞机交流用电负载与直流电网共地. 因而选用具有电气隔离且眭能优良的有源钳位正激变换器作为DC/DC变换级按上述理论设计的有源钳位正激变换器参数如下功率P.一100w,输A电源电压U.一18～32V.输出电压U一190V.开关频率一100 kHz.最大占宅比d一0.75.钳位电容c=60nF,延迟时间rl取600ns,r2取470ns原理实验测得不同输出功率时变换效率如图5所示l习j有源钳位正馓耍挽器教军曲线5结论本文论述了,有源钳位正激变换器的原理与设计,得出了如下结论(1)有_碌钳位正激变换器变压器铁心工作在双向对称磁化状态,提高了铁心利用率,减小了体积与重量.占空比>0,5.进一步增强lr其性能和工程实用价值,适用于宽输A电源电压场合. (2)有源钳位正激变换器实质E是零电压转换PWM变换器,兼有谐振技术与传统PwM技术两者之优点(3)提供r钳位电容C,驱动信号延迟时间r,r:等关键电路参数与其它参数间的定量关系(4)实验证实了有源钳位正激变换器具有优良的性能.参考文献11遭密电电于技术.航空工业出社1992:213～2142陈道炼RCD钳位正激变拽器的分析研究南京航空航元大学,1997(2):231～2353洗冬珍等.LCD无垌吸收网络的应用研究电力电子技术. 1995t4)35～:184LeuCSetⅡ,.ComparisonofForwardFopologieswirhV ari …ResetSchemes,VPECSeminarproceedings1991101～1n§藕百1丽丽i(上接第21页)KrausePC.Analy~isofElectricMachlnery.NewY ork:Mc G…Hi】l,1986jKane]lakopou[osI.KokorovicPVMarinoRAnExtended DlteetSchemefoiRobustAdaptlveNonlinearComro[.Auto一tca.1991.27(2)247～2j55MarinoRAnExample.fANonlinearRegula1.r1EEE T…sAutom,Contr,l984,29(3):276～2797MarinaR—PeresadaS.Va]igiPAdaptiveInput-outputLin- earizingControl.fInductionblotorsIEEETrans.AutomContr19§3,38(2):208～2218IsidoriANon]inearControlSystemsBetlinspringerV etlag19蚺9蔡自兴等译.应用非线性控制北京:国防工业出社, 199276～77面蓓百丽F而33。
有源箝位ZVS PWM控制串联谐振变换器中提高同步整流效率的研究摘要：最近，对带有同步整流电路的有源箝位ZVS－PWM控制串联谐振变换器的研究和应用不断取得进展。
不过，当输入电压偏离特定值时，其效率会严重下降。
通过对其各种工作模态转换的分析，阐明了效率下降的原因。
为解决这种效率下降，使用了带有分立电感和耦合电感的倍流型同步整流电路模型，并分析了其稳态特性。
通过实验，比较了中心抽头型和耦合电感型效率变化曲线。
最后，通过分析和比较，得出结论。
提出了一个整流电路，在较大输入电压范围内和低输出电压，大输出电流的负载条件（3.3V,5A）下获得了85％的较高效率。
关键词：有源箝位；串联谐振；同步整流EfficiencyImprovementofSynchronousRectifierinaZVS PWMControlledSeries ResonantConverterwithActiveClamp1引言开关变换器在很多电子和通信设备的电源中得到广泛应用。
近来，低输出电压和大输出电流的负载条件对开关变换器提出了新的要求。
为了满足这些要求，很多类型的谐振变换器已被提出和利用。
然而，这些变换器的输出电压通常由开关调制频率所控制。
因此，这导致了诸如最小开关频率限制了输出滤波电容减小等问题。
为了消除这些限制，一种新颖的带有源箝位电路ZVS－PWM控制的电流模式谐振变换器被提了出来[1，2]。
这种变换器工作在一个固定的开关频率，其输出电压通过主开关管的PWM控制信号来调节。
其稳态特性和ZVS条件在相关文献中有详细的讨论[3～5]。
但是，这种变换器在特定的输入电压下有较高的效率，当输入电压偏离特定值时，效率会严重下降。
本文通过对这种变换器的各个工作模态转换的分析，说明了其效率下降的原因。
通过分析可以说明，当输入电压偏离特定值时，发生了环流现象，导致了能量的回馈，效率下降。
为解决这种问题，使用了一种倍流型同步整流电路，它带有分离电感或耦合电感两种方案。
