摘   要: 零 電 壓 軟 開 關(guān) 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 拓 撲 非 常 適 合 中 小 功 率 開 關(guān) 電 源 的 設 計 . 增 加 變 壓 器 勵 磁 電 流 或 應 用 磁 飽 和 電 感 均 能 實 現(xiàn) 零 電 壓 軟 開 關(guān) 工 作 模 式 . 基 于 對 零 電 壓 軟 開 關(guān) 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 拓 撲 的 理 論 分 析 , 提 出 了 一 套 實 用 的 優(yōu) 化 設 計 方 法 . 實 驗 結(jié) 果 驗 證 了 理 論 分 析 和 設 計 方 法 .
    關(guān)鍵詞: 有 源 鉗 位 ; 正 激 變 換 器 ; 零 電 壓 軟 開 關(guān)
1 引 言
    單 端 正 激 變 換 器 拓 撲 以 其 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 工 作 可 靠 、 成 本 低 廉 而 被 廣 泛 應 用 于 獨 立 的 離 線 式 中 小 功 率 電 源 設 計 中 . 在 計 算 機 、 通 訊 、 工 業(yè) 控 制 、 儀 器 儀 表 、 醫(yī) 療 設 備 等 領(lǐng) 域 , 這 類 電 源 具 有 廣 闊 的 市 場 需 求 . 當 今 , 節(jié) 能 和 環(huán) 保 已 成 為 全 球 對 耗 能 設 備 的 基 本 要 求 . 所 以 , 供 電 單 元 的 效 率 和 電 磁 兼 容 性 自 然 成 為 開 關(guān) 電 源 的 兩 項 重 要 指 標 . 而 傳 統(tǒng) 的 單 端 正 激 拓 撲 , 由 于 其 磁 特 性 工 作 在 第 一 象 限 , 并 且 是 硬 開 關(guān) 工 作 模 式 , 決 定 了 該 電 路 存 在 一 些 固 有 的 缺 陷 : 變 壓 器 體 積 大 , 損 耗 大 ; 開 關(guān) 器 件 電 壓 應 力 高 , 開 關(guān) 損 耗 大 ; dv/dt和 di/dt大 , EMI問 題 難 以 處 理 .
    為 了 克 服 這 些 缺 陷 , 文 獻 [1][2][3]提 出 了 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 拓 撲 , 從 根 本 上 改 變 了 單 端 正 激 變 換 器 的 運 行 特 性 , 并 且 能 夠 實 現(xiàn) 零 電 壓 軟 開 關(guān) 工 作 模 式 , 從 而 大 量 地 減 少 了 開 關(guān) 器 件 和 變 壓 器 的 功 耗 , 降 低 了 dv/dt和 di/dt, 改 善 了 電 磁 兼 容 性 . 因 此 , 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 拓 撲 迅 速 獲 得 了 廣 泛 的 應 用 .
    然 而 , 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 并 非 完 美 無 缺 , 零 電 壓 軟 開 關(guān) 特 性 也 并 非 總 能 實 現(xiàn) . 因 而 , 在 工 業(yè) 應 用 中 , 對 該 電 路 進 行 優(yōu) 化 設 計 顯 得 尤 為 重 要 . 本 文 針 對 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 拓 撲 , 進 行 了 詳 細 的 理 論 分 析 , 指 出 了 該 電 路 的 局 限 性 , 并 給 出 了 一 種 優(yōu) 化 設 計 方 法 .
2 正 激 有 源 鉗 位 變 換 器 的 工 作 原 理
    如 圖 1所 示 , 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 拓 撲 與 傳 統(tǒng) 的 單 端 正 激 變 換 器 拓 撲 基 本 相 同 , 只 是 增 加 了 輔 助 開 關(guān) Sa( 帶 反 并 二 極 管 ) 和 儲 能 電 容 Cs, 以 及 諧 振 電 容 Cds1、 Cds2, 且 略 去 了 傳 統(tǒng) 正 激 變 換 器 的 磁 恢 復 電 路 . 磁 飽 和 電 感 Ls用 來 實 現(xiàn) 零 電 壓 軟 開 關(guān) , 硬 開 關(guān) 模 式 用 短 路 線 替 代 . 開 關(guān) S和 Sa工 作 在 互 補 狀 態(tài) . 為 了 防 止 開 關(guān) S 和 Sa共 態(tài) 導 通 , 兩 開 關(guān) 的 驅(qū) 動 信 號 間 留 有 一 定 的 死 區(qū) 時 間 . 下 面 就 其 硬 開 關(guān) 工 作 模 式 和 零 電 壓軟 開 關(guān) 工 作 模 式 分 別 進 行 討 論 . 為 了 方 便 分 析 , 假 設 :

    1) 儲 能 電 容 Cs 之 容 量 足 夠 大 以 至 于 其 上 的 電 壓 Vcs可 視 為 常 數(shù) ;
    2) 輸 出 濾 波 電 感 Lo足 夠 大 以 至 于 其 中 的 電 流 紋 波 可 忽 略 不 計 ;
    3) 變 壓 器 可 等 效 成 一 個 勵 磁 電 感 Lm和 一 個 匝 比 為 n的 理 想 變 壓 器 并 聯(lián) , 并 且 初 次 級 漏 感 可 忽 略 不 計 ;
    4) 所 有 半 導 體 器 件 為 理 想 器 件 .
2.1 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 硬 開 關(guān) 工 作 模 式
    硬 開 關(guān) 的 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 工 作 狀 態(tài) 可 分 為 6個 工 作 區(qū) 間 , 關(guān) 鍵 工 作 波 形 如 圖 2(a)所 示 .


    [t0~ t1]期 間 主 開 關(guān) S導 通 , 輔 助 開 關(guān) Sa斷開 . 變 壓 器 初 級 線 圈 受 到 輸 入 電 壓 Vin的 作 用 , 勵 磁 電 流 線 性 增 加 , 次 級 整 流 管 導 通 并 向 負 載 輸 出 功 率 . t1時 刻 , 主 開 關(guān) S斷 開 .
    [t1~ t2]期 間 負 載 折 算 到 變 壓 器 初 級 的 電 流 Io* 和 勵 磁 電 流 im給 電 容 Cds1充 電 和 Cds2放 電 , 電 壓 Vds1迅 速 上 升 . t2時 刻 , Vds1上 升 到 Vin, 變 壓 器 輸 出 電 壓 為 零 , 負 載 電 流 從 整 流 管 D3轉(zhuǎn) 移 到 續(xù) 流 管 D4.
    [t2~ t3]期 間 只 有 勵 磁 電 流 im通 過 Lm、 Cds1、 Cds2繼 續(xù) 諧 振 , 并 在 t3時 刻 Vds1達 到 (Vin+ Vcs). 輔 助 開 關(guān) Sa的 反 并 二 極 管 D2導 通 , 勵 磁 電 流 給 電 容 Cs充 電 并 線 性 減 小 , 此 時 , 可 驅(qū) 動 輔 助 開 關(guān) Sa.
    [t3~ t4] 期 間 變 壓 器 初 級 線 圈 受 到 反 向 電 壓 Vcs的 作 用 , 勵 磁 電 流 由 正 變 負 . t4時 刻 , Sa斷 開 .
    [t4~ t5]期 間 電 容 Cds1、 Cds2與 Lm發(fā) 生 諧 振 , 并 在 t5時 刻 電 壓 Vds1下 降 到 Vin, 變 壓 器 磁 芯 完 成 磁 恢 復 .
    [t5~ t0′ ] 期 間 次 級 整 流 管 導 通 , 變 壓 器 次 級 繞 組 短 路 , 給 勵 磁 電 流 提 供 了 通 道 . 在 此 期 間 , Vds1維 持 在 Vin, 勵 磁 電 流 保 持 在 - Im(max). t0′ 時 刻 , 主 開 關(guān) S被 驅(qū) 動 導 通 , 下 一 個 開 關(guān) 周 期 開 始 .
    很 明 顯 , 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 的 變 壓 器 磁 芯 工 作 在 一 、 三 象 限 , 變 換 器 工 作 占 空 比 可 超 過 50% . 由 于 電 容 Cds1、 Cds2的 存 在 , 開 關(guān) S和 Sa均 能 自 然 零 電 壓 關(guān) 斷 , 而 且 Sa能 實 現(xiàn) 零 電 壓 導 通 . 但 主 開 關(guān) 管 S工 作 在 硬 開 關(guān) 狀 態(tài) .
2.2 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 零 電 壓 軟 開 關(guān) 模 式
    從 上 面 的 分 析 可 明 顯 地 看 出 , 當 變 壓 器 勵 磁 電 感 Lm減 小 , 勵 磁 電 流 足 夠 大 時 , [t5~ t0′ ] 期 間 勵 磁 電 流 除 了 能 提 供 負 載 電 流 外 , 剩 余 部 分 可 用 來 幫 助 電 容 Cds2、 Cds1充 放 電 . 電 壓 Vds1有 可 能 諧 振 到 零 , 從 而 實 現(xiàn) 主 功 率 開 關(guān) 管 S的 零 電 壓 軟 開 通 . 二 極 管 D1可 為 負 的 勵 磁 電 流 續(xù) 流 . 關(guān) 鍵 工 作 波 形 如 圖 2( b) 所 示 , 具 體 的 軟 開 關(guān) 條 件 將 在 下 一 節(jié) 中 詳 細 討 論 . 很 顯 然 , 軟 開 關(guān) 的 代 價 是 變 壓 器 勵 磁 電 流 和 開 關(guān) 管 導 通 電 流 峰 值 大 幅 增 加 , 開 關(guān) 管 及 變 壓 器 電 流 應 力 和 通 態(tài) 損 耗 明 顯 加 大 .
2.3 應 用 磁 飽 合 電 感 器 實 現(xiàn) 零 電 壓 軟 開 關(guān)
    為 了 克 服 上 述 零 電 壓 軟 開 關(guān) 工 作 時 電 流 應 力 過大 的 缺 點 . 可 以 在 變 壓 器 次 級 整 流 二 極 管 上 串 聯(lián) 一 個 磁 飽 和 電 感 Ls, 如 圖 1所 示 . 當 電 壓 Vds1下 降 到 Vin時 , [t5~ t0′ ] 期 間 磁 飽 和 電 感 Ls瞬 時 阻 斷 整 流 二 極 管 , 使 得 變 壓 器 勵 磁 電 流 不 必 負 擔 負 載 電 流 , 而 可 完 全 用 來 給 電 容 Cds2、 Cds1充 放 電 . 這 樣 , 不 必 大 量 減 小 變 壓 器 勵 磁 電 感 , 較 小 的 勵 磁 電 流 就 可 以 保 證 電 壓 Vds1諧 振 到 零 , 實 現(xiàn) 主 功 率 開 關(guān) 管 的 零 電 壓 軟 開 通 . 關(guān) 鍵 工 作 波 形 如 圖 2( c) 所 示 .
3 靜 態(tài) 分 析 和 優(yōu) 化 設 計 方 法
3． 1 儲 能 電 容 電 壓 及 開 關(guān) 管 承 受 的 電 壓 應 力
    根 據(jù) 磁 芯 伏- 秒 平 衡 原 則 , 可 得 式 ( 1)

式 中 : Vin為 輸 入 直 流 電 壓 ;
         Vo為 輸 出 電 壓 ;
         D為 主 開 關(guān) 導 通 占 空 比 ;
         Ts為 開 關(guān) 周 期 ;
         n為 變 壓 器 匝 比 .
    因 此 , 主 開 關(guān) S和 輔 助 開 關(guān) Sa承 受 的 最 大 電 壓 應 力 均 為 VDS:

    上 式 說 明 , 當 變 壓 器 匝 比 愈 小 時 , 對 于 一 定 的 輸 入 電 壓 和 輸 出 電 壓 的 變 換 器 , 開 關(guān) 管 電 壓 應 力 VDS愈 小 . 所 以 , 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 一 個 顯 著 優(yōu) 點 是 可 以 降 低 開 關(guān) 管 電 壓 應 力 , 從 而 可 選 用 額 定 電 壓 較 低 、 通 態(tài) 電 阻 較 小 的 功 率 開 關(guān) 管 . 另 外 , 當 變 壓 器 變 比 n確 定 后 , 開 關(guān) 管 電 壓 應 力 僅 與 占 空 比 有 關(guān) , 如 圖 3 所 示 . 顯 然 , 當 占 空 比 為 0.5 時 , 開 關(guān) 管 承 受 最 小 的 電 壓 應 力 . 當 輸 入 電 壓 變 化 時 , 如 果 將 占 空 比 設 計 運 行 在 以 0.5為 中 心 的 對 稱 范 圍 內(nèi) , 則 可 使 開 關(guān) 管 承 受 的 電 壓 應 力 基 本 保 持 恒 定 .

3． 2 增 加 勵 磁 電 流 實 現(xiàn) 零 電 壓 軟 開 關(guān) 工 作 條 件
    從 開 關(guān) Sa 斷 開 到 電 壓 Vds1諧 振 至 零 的 過 程 , 即 工 作 區(qū) 間 [t4~ t5]和 [t5~ t0′ ]. 要 實 現(xiàn) 主 開 關(guān) S零 電 壓 軟 開 通 , 其 導 通 驅(qū) 動 延 遲 時 間 必 須 大 于 以 上 兩 區(qū) 間 之 和 .
    [t4~ t5]期 間 等 效 電 路 如 圖 4 所 示 . 相 應 的 電 路 微 分 方 程 是 :


    微 分 方 程 的 解 為 :

式 中 : 0≤t≤t5-t4.

t5時 刻 , 即 當

    [t5~ t0′ ]期 間 等 效 電 路 如 圖 5所 示 . 相 應 的 電 路 微 分 方 程 是 :


    微 分 方 程 的 解 為 :

     為 變 換 器 輸 出 電 流 折 算 到 變 壓 器 原 邊 的 值 , 并 且 忽 略 了 輸 出 電 感 的 電 流 紋 波 .
    顯 而 易 見 , 主 開 關(guān) 零 電 壓 開 通 的 必 要 條 件 是 :

    實 際 上 , 上 述 條 件 即 是 , 變 壓 器 勵 磁 電 感 儲 存 的 電 流 除 支 持 負 載 電 流 外 , 剩 余 能 量 能 使 電 容 Cds1上 電 壓 諧 振 到 零 . Vds1從 Vin諧 振 到 零 所 需 時 間 tb為 :

    所 以 , 主 開 關(guān) 管 零 電 壓 導 通 所 需 總 的 導 通 延 遲 時 間 td為 :

    實 際 上 , 諧 振 頻 率 ω 遠 大 于 開 關(guān) 頻 率 fs, 即 K遠 大 于 1, 故 式 ( 23) 可 簡 化 為 :

3． 3 應 用 磁 飽 和 電 感 實 現(xiàn) 軟 開 關(guān) 工 作 的 條 件
    當 輔 助 開 關(guān) Sa斷 開 后 , 由 于 磁 飽 和 電 感 Ls瞬 間 相 當 于 開 路 , 因 此 變 壓 器 勵 磁 電 流 可 完 全 用 來 對 Cds2和 Cds1充 放 電 . [t4~ t5]、 [t5~ t0′ ]期 間 , 等 效 電 路 同 圖 4. 顯 然 , 令 式 ( 21) 和 ( 24) 中 Io* 或 Io為 零 , 即 可 得 到 主 開 關(guān) 管 零 電 壓 導 通 的 能 量 條 件 和 時 間 條 件 ,Im(max)≥ Cdsω Vin, 即 :

    死 區(qū) 延 遲 時 間 , 意 味 著 PWM變 換 器 有 效 占 空 比 的 損 失 . 為 了 盡 量 減 小 有 效 占 空 比 的 損 失 , 則 K必 須 加 大 . 另 一 方 面 , 變 換 器 開 關(guān) 頻 率 fs愈 高 , 則 為 保 持 相 同 的 有 效 占 空 比 , K至 少 應 保 持 不 變 , 即 諧 振 頻 率 ω 應 與 開 關(guān) 頻 率 fs成 比 例 增 加 . 圖 6給 出 了 軟 開 關(guān) 所 需 要 的 死 區(qū) 時 間 td和 最 大 勵 磁 電 流 Im (max)與 K的 關(guān) 系 曲 線 . 從 圖 中 明 顯 看 出 , 采 用 加 大 勵 磁 電 流 的 方 法 實 現(xiàn) 零 電 壓 軟 開 關(guān) 和 采 用 磁 飽 和 電 感 器 比 較 , 要 求 的 K較 大 , 因 而 有 較 大 的 勵 磁 電 流 損 耗 ; 另 外 , 從 式 ( 15) 看 出 , 開 關(guān) 頻 率 愈 高 , 電 流 峰 值 也 愈 高 , 變 壓 器 的 銅 耗 和 開 關(guān) 管 的 導 通 損 耗 也 愈 大 . 因 此 , 軟 開 關(guān) 有 源 鉗 位 正 激 變 換 器 工 作 頻 率 不 宜 太 高 .