新型有源钳位正激软开关变换器的研究

摘  要： 针对模块电源的发展趋势和有源钳位电路的工作原理，研究了一种采用磁放大技术和固定伏特秒控制技术的有源钳位正激软开关电路，并对该电路的工作过程进行了详细的理论分析。在此基础上，设计了一款25 W的电源样机。经过测试，验证了该理论分析的正确性，在整个负载范围内完全实现了主开关管和钳位开关管的软开关变换，软开关实现的条件不依赖于变压器的参数。在采用肖特基二极管整流的情况下，满载输出的转换效率在89%以上。
关键词： 有源钳位；正激变换器；磁放大器；固定伏秒值
       为适应现代电子产品的发展需要，开关电源的设计朝着低电压和大电流的趋势发展。目前,该类型的模块电源市场需求量很大,研究其相关技术有着重要的实际意义，其中正激变换器是最受欢迎的拓扑结构之一[1]。但是传统的正激变换器无法实现软开关，漏感和寄生电感会造成很大的电压或电流尖峰，导致开关电源效率低下；另外，正激变换器有一个固有缺点是需附加电路才能实现变压器磁复位。
     针对正激变换器的缺点，很多人提出了有源钳位技术，相关的论文和成果也比较多[2-4]。有源钳位技术解决了正激电路的变压器磁复位，占空比可大于0.5，开关管的电压应力低[5]，适合于输入电压范围比较宽的应用场合。但是有源钳位电路也有缺点，如果想要实现主功率开关管的ZVS 开通，需要在铁心加气隙以降低Lm，增大磁化电流。这样做虽然实现了开关管的软开通，但是会增加变压器的铁损。
     参考文献[6-8]对有源箝位正激变换器的工作过程作了较详细的分析, 本文则进一步深入分析了该变换器实现软开关的条件，研究分析了一种能够在全负载范围内实现有源钳位正激变换软开关的电路。该电路不仅实现了主功率管的软开关，并且完全不依赖于正激变压器的参数，是一种非常理想的有源箝位正激软开关变换电路。
1 新型有源钳位正激软开关变换器
1.1 固定伏特秒值控制器工作原理
     固定伏特秒控制电路原理如图1所示，其工作原理如下：PWM脉冲发生器由高性能固定频率电流模式控制器UC3842及其外围电路构成。UC3842工作在开环状态，输出达到最大占空比0.96。U1为比较器，其正向输入端接一固定的基准电压DC 2.5 V；其反向输入端通过电阻R1接直流母线，给电容C2充电。
   
   
     在PWM脉冲发生器的输出由高变低时，电容C2通过Q1放电；在PWM脉冲发生器的输出高电平时，电容 C2通过R1充电。因此在电容C2上为一个固定周期的锯齿波信号，当锯齿波信号的幅值超过比较器U1的同向输入端电压时，比较器输出低电平，Q2导通，主开关管S1关断。在电阻R1和电容C2固定不变的情况下，锯齿波信号的上升斜率和直流母线电压成正比，因此固定伏特秒电路输出信号的占空比和直流母线电压成正比。
1.2 磁放大稳压电路工作原理
     该有源钳位变换器副边采用磁放大电路，通过对变压器次级线圈输出脉冲的脉宽进行控制实现精密稳压。如图2所示，L1为一个饱和电感。磁放大器的核心是一个由软磁合金制成的带有矩形磁滞回线的环形磁芯，具有矩形磁滞回线及易饱和的特性。
   
       磁放大稳压原理如下：首先可以将磁放大器理解为一个PWM“磁开关”，在磁放大器饱和后，相当于“磁开关”打开，变压器次级端方波脉冲通过，方波脉冲辐值×占空比等于输出电压。若输出电压升高，控制电路使磁放大器复位，退出饱和区，此时磁放大器相当于一个很大的电感，阻止变压器次级端方波脉冲通过，即PWM“磁开关”关闭，这样方波脉冲便会被“斩波”一部分，于是输出电压自然会下降，从而达到对输出电压稳压的目的。
1.3 有源钳位正激变换器的工作原理
     该有源钳位变换器的主电路如图2所示。钳位开关S2和主功率开关S1的驱动信号互补。图2中钳位电容C1上的电压为：


       图4为满载条件下，主开关管S1的驱动信号和漏源极电压波形，其中波形1为S1的驱动波形Vgs1，波形2为S1的漏源极电压。