有源鉗位電路主管不能實現(xiàn)零電壓原因分析與解決方案

何 玲

(廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州510925)

隨著電力電子器件開關頻率的不斷提高，促使開關電源的頻率不斷提高，小功率DC-DC 變換器的開關電源頻率已經(jīng)可以實現(xiàn)1 MHz 以上，DC-DC 變換器由于載質(zhì)量、體積、用鐵、用銅以及能耗等方面都比線形穩(wěn)壓電源有顯著的減少，并且穩(wěn)壓性能良好[1]。近年來，隨著DC-DC變換器高密度、低壓輸出需求的增加，促進開關電源變換軟開關技術的迅速發(fā)展，其中有源鉗位技術是目前隔離式DC-DC 變換器中最為常見的一種軟開關方式[2]。雖然現(xiàn)有技術表明軟開關未必能降低塊開關整流器的EMI 水平，但采用軟開關技術可把變換器的效率大為提高，從而大大提高了變換器的功率密度[3]。目前，這一技術有一個制約效率提高的因素，即主開關管電壓不能實現(xiàn)零電壓開通，下面以升壓式鉗位電路為例進行說明[4]。

圖1 升壓式鉗位電路

1 升壓式有源鉗位電路的分析

圖1為通常采用的零電壓開關正激電路[5]。為方便分析，將主變壓器分解為勵磁電感與一個理想變壓器的并聯(lián)，Lm為變壓器的勵磁電感，T1為一理想變壓器，VT1為主開關管，VT2為輔助鉗位開關管，C2為輔助回路的儲能電容。VD1，VD2為輸出整流、續(xù)流二極管，它們與L1、C1共同組成輸出整流濾波回路。

假設Ip為流入主變壓器的原邊電流，它可分解為兩部分：I1為流入理想變壓器原邊的電流，IM為流過勵磁電感的電流。具體工作原理分析，假定變壓器的變比為1:1，L1上的電流連續(xù)，VOUT=VIN/3（VIN為輸入電壓），其工作波形如圖2所示。

具體分四個步驟，即：

(1)VT1導通，能量傳遞到負載。VT1導通前，VT2關斷，鉗位電容C2上電壓VC2=VIN/（1-D），極性上正下負，VT2關斷，其體二極管反偏截止，無鉗位電容電流。VT1導通后，VT1漏極電壓降為0，鉗位電路仍然關斷，C2壓降保持不變，主變壓器正向激磁，VP=VIN，輸入電源能量經(jīng)變壓器傳遞到負載；

(2)VT2電壓諧振過渡到0。VT1關斷，VT2及其體二極管仍關斷，VT1輸出電容被充電到（VIN+VC2）時，VT2體二極管正向偏置導通，提供VT2的ZVS（零電壓開關管）開通條件，同時VT1管壓降被鉗位于（VIN+VC2），C2壓降不變；

(3)VT2導通，鉗位電路工作。此時VT2經(jīng)ZVS開通，VT1關斷，變壓器與C2進行能量轉換，實現(xiàn)磁復位過程，期間主開關管電壓仍被鉗位于（VIN+VC2）；

(4)VT1電壓諧振過渡到0。VT1、VT2關斷，磁場能量使VT1接電容放電，VT1漏極電壓下降趨向0，提供VT1的ZVS 條件，此時VT2體二極管隨之反偏關斷，鉗位電路斷開，整個電路進入下一個工作周期。

但實際上，如果不采取特殊措施，盡管在VT2關斷、VT1開通之間加入了一個死區(qū)時間，步驟4中VT1實現(xiàn)ZVS 幾乎是不可能的。原因在于當VT1的漏源電壓VDS減小到VIN后，變壓器的原邊電壓為正、副邊電壓也為正，使VD1導通，VD2截止，在輸出濾波電感L1的作用下，使I1由零變成了IVD1，鉗位電容的電流IC2由IM變成了IM+I1，使ICS變小，從而減慢了VDS的下降速度，使VT1的零電壓開通變得困難。而且，如果IVD1大于IM，IC2會反向變成正向，即給電容C2放電變成充電，這樣VDS就不可能變成零。

實際由于IM通常很小，IC2一般都會大于IM，這種電路很難實現(xiàn)VT1的零電壓開通，一般當VDS略小于VIN時VT1開通，如圖2虛線所示。反激式有源鉗位電路的分析與以上分析相類似。

2 解決方案

圖2 一個開關周期電路主要參量波形

由以上分析可知主管之所以不能實現(xiàn)零電壓開關，是由于副邊鉗位作用的結果，由于整流管VT1在不希望導通時導通了?；谶@種分析，我們根據(jù)整流電路的不同采用相應的解決方案。

解決方案一，如果整流電路采用整流二極管，如圖1所示，可以在整流二極管VD1的陽極串聯(lián)飽和電感，這樣即使變壓器副邊已經(jīng)存在正向電壓，因為飽和電感的存在，VD1延時導通，在這段時間內(nèi)，主開關管電壓下降到零，從而實現(xiàn)了ZVS。但該方案在飽和電感上損耗一定的能量，僅降低了主開關管的開通應力，效率提高不明顯。

解決方案二，如果在低壓輸出的場合，輸出采用同步整流電路如圖3所示，可以采用如下方案。

圖3 采用同步整流的升壓式鉗位電路

（1）可以在輸出整流管VT4的驅動DRV3上串聯(lián)穩(wěn)壓二極管，這樣當主開關管VT1上的電壓降到零前，副邊的感應電壓不足以打開VT4，零電壓開通。通過選擇穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值可以得到理想的輸入電壓——效率曲線。

（2）調(diào)整驅動電路的時序，延時開通VT4。同時，也可以把VT4的關斷時間從主開關管關斷后變成關斷前，這么做的優(yōu)點是減小了主管的關斷應力，因為VT4關斷后，變壓器原邊電流I1變成零，通過主管的電流僅是勵磁電流IM，從而大大減小主管VT1的關斷損耗。

3 結 論

本設計以升壓式有源鉗位電路為例，針對有源鉗位電路中主開關管不能實現(xiàn)零電壓開通的原因進行了詳細的分析，并提出了兩種相應的有效解決方案，解決了有源鉗位電路不能實現(xiàn)零電壓的故障，降低有源鉗位電路開關管的損耗和功耗，改善有源鉗位電路開關管的穩(wěn)定性，提高開關電源的效率和壽命。

[1]Abraham I.Pressman，Keuth Billings，Taylor Morey 著，王志強，肖文勛，虞龍等譯.開關電源設計（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]趙瑞杰，陶學軍，田素立等.新型有源鉗位正激軟開關變換器的研究[J].電子技術應用，2011，37(11)：73-75.

[3]陶淵.基于正激變換器的有源鉗位技術[J].計算機工程，2008，34(9)：165-168.

[4]包躍華.有源鉗位正激變換器雙環(huán)小信號建模分析[J].電源世界，2009(7)：21-26.

[5]MilanM.Jovanovic，Jen-Ching Lin，Chen Zhou，Michael Zhang，F(xiàn)red C.Lee.Design Considerations for Forward Converter With Synchronous Rectifiers[EB/OL].http://www.deltartp.com/dpel/dpelconferencepapers/PCIM.93%20FWD%20w%20synch%20rectifiers.pdf，1993-10.