基于Saber的有源箝位反激電路設(shè)計(jì)與仿真*

李志軍，秦曉雪，張軒濤，劉漢征，劉 爽

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與控制工程學(xué)院，天津 300130）

基于Saber的有源箝位反激電路設(shè)計(jì)與仿真*

李志軍，秦曉雪，張軒濤，劉漢征，劉 爽

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與控制工程學(xué)院，天津 300130）

簡(jiǎn)述了反激變換器的電路結(jié)構(gòu)及原理，提出了有源箝位反激電路，并對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行了分析討論。在此基礎(chǔ)上對(duì)有源箝位反激電路的關(guān)鍵器件的參數(shù)進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。基于Saber軟件搭建了仿真模型，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，引入有源箝位電路后，不僅使得隔離變壓器漏感引起的能量傳輸損失得到了充分利用，而且使主輔功率開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，有效地降低了功率開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力和開(kāi)關(guān)損耗，使得變換器的效率和可靠性得到了進(jìn)一步提升。

反激變換器；開(kāi)關(guān)損耗；有源箝位；仿真

0 引言

反激變換器具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單、成本低、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，但是沒(méi)有對(duì)變壓器的漏感能量進(jìn)行處理，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力增大、開(kāi)關(guān)管損耗增加和變換器效率降低，針對(duì)反激變換器存在的這些問(wèn)題，有效的解決方法是引進(jìn)箝位技術(shù)[1-2]，將變壓器漏感儲(chǔ)能輸送到變換器輸出端，減小功率管漏源級(jí)的電壓應(yīng)力。通常采用的箝位方式有：LCD箝位技術(shù)、RCD箝位技術(shù)和有源箝位技術(shù)，其中反激變換器采用有源箝位技術(shù)時(shí)，綜合性能最優(yōu)[3]。

圖1 反激變換器電路

1 反激變換器工作原理和工作模式

圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反激變換器電路，其中變壓器T不僅起到隔離的作用，還可以等效為電感，具有儲(chǔ)能的作用。功率管Q1在驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)，有電流通過(guò)變壓器原邊繞組 Np，輸出二極管 Do反向截止，變壓器原邊磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，儲(chǔ)存能量；副邊繞組Ns中無(wú)電流流過(guò)，輸入端的能量不能傳送到負(fù)載，輸出濾波電容Co為負(fù)載提供能量。當(dāng)功率管Q1為關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，變壓器釋放儲(chǔ)能，輸出整流二極管Do導(dǎo)通，原邊繞組中儲(chǔ)存的能量通過(guò)副邊繞組給負(fù)載提供能量，同時(shí)為負(fù)載側(cè)輸出濾波電容Co充電[4]。

根據(jù)變壓器磁通的連續(xù)性，反激變換器主要有兩個(gè)工作模式：連續(xù)電流模式(CCM)和斷續(xù)電流模式(DCM)[5]。

反激變換器工作在連續(xù)電流模式（CCM）時(shí)，功率管在下一次導(dǎo)通時(shí)刻，變壓器的副邊電流還沒(méi)有減少到零，因此變壓器的原副邊兩個(gè)繞組中總有一個(gè)繞組是有電流流過(guò)的。

反激變換器工作在斷續(xù)電流模式(DCM)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)變壓器能量的完全傳遞。DCM模式下反激變換器的響應(yīng)會(huì)更快，而且負(fù)載電流突變或者輸入電壓突變時(shí)引起的輸出電壓的尖峰會(huì)降低。在下一次開(kāi)通時(shí)，變壓器副邊輸出整流二極管中流過(guò)的電流已經(jīng)降到零，所以整流二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，其損耗降低。但是當(dāng)傳遞的功率相等時(shí)，DCM模式下，其尖峰電流會(huì)更大，變壓器原副邊的損耗也會(huì)增大。

2 有源箝位反激電路工作過(guò)程分析

在反激電路中引入有源箝位技術(shù)，可以抑制功率管漏源級(jí)的尖峰電壓，回收利用變壓器的漏感能量[6-7]。有源箝位反激變換器的主電路如圖2所示。

圖2 有源箝位反激變換器主電路

該箝位電路采用PMOS對(duì)地箝位方式，所需元器件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。整體箝位電壓。有源箝位電路一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有6個(gè)階段，波形如圖3，按等效電路圖法對(duì)有源箝位電路工作過(guò)程進(jìn)行分析。

圖3 有源箝位電路工作波形

第一階段[t0-t1]：在 t0時(shí)刻，主功率管 Q1處于開(kāi)通狀態(tài)，輔助功率管Q2處于關(guān)斷狀態(tài)。變壓器諧振電感Lk和激磁電感 Lm開(kāi)始儲(chǔ)存能量，Lk中的電流開(kāi)始線性上升。輸出二極管Do反向偏置，輸出電容Co為負(fù)載提供能量。

第二階段[t1-t2]：輔助功率管 Q2保持關(guān)斷狀態(tài)，在 t1時(shí)刻，關(guān)斷主功率管Q1。變壓器原邊勵(lì)磁電流通過(guò)諧振的方式給Q1的結(jié)電容 Cr充電，Lk中的電流開(kāi)始下降。Q1漏源級(jí)電壓 Vds_Q1快速上升，Q2漏源極電壓 Vds_Q2下降。當(dāng) Vds_Q1達(dá)到最大值時(shí)，該階段結(jié)束。

第三階段[t2-t3]：在 t2時(shí)刻，Vds_Q1被箝位在， Q2體二極管導(dǎo)通。變壓器原邊能量通過(guò)反激輸出二極管Do向副邊傳遞，給負(fù)載供電。由于箝位電容Cc的大小遠(yuǎn)大于Q1結(jié)電容大小，所以勵(lì)磁電流幾乎全部流過(guò)Cc，給 Cc充電，Cc電流迅速達(dá)到最大值，然后緩慢下降。Lk電流繼續(xù)下降。Lk與Cc形成諧振。

第四階段[t3-t4]：在 t3時(shí)刻，Q2開(kāi)通，由于其體二極管已經(jīng)是導(dǎo)通狀態(tài)，故Q2可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。隨著充電的進(jìn)行，Lk電流下降，Cc電流下降，當(dāng)=ILk=0時(shí)，該過(guò)程結(jié)束。

第五階段[t4-t5]：在 t4時(shí)刻，Cc中電流為零，Q2的反向并聯(lián)二極管截止，Q2導(dǎo)通，Cc中電流（諧振電流）開(kāi)始反向增加。Cc釋放能量，此時(shí) Do仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以實(shí)現(xiàn)了漏感能量的回收利用。

第六階段[t5-t6]：在 t5時(shí)刻，Q2關(guān)斷，強(qiáng)迫電流換流，流經(jīng) Q1結(jié)電容 Cr，Lk與Cr諧振，Cr放電，Q1漏源極電壓迅速下降，此期間 Do導(dǎo)通，原邊能量繼續(xù)傳給副邊。t6時(shí)刻，Vds_Q1減小到零，Q1零電壓開(kāi)通，重復(fù)上述過(guò)程[8-9]。

3 有源箝位反激電路參數(shù)設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)規(guī)格如下：最大輸入電壓Uinmax=375 V，最小占空比 Dmin=0.2，開(kāi)關(guān)頻率fs=50 kHz，輸出電壓Uo=24 V，輸出功率Po=100 W。

3.1 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

變壓器副邊電感L兩端的電壓UL（副邊電壓的紋波系數(shù)按10%考慮）：

其中，Ts為開(kāi)關(guān)周期。

變壓器副邊電壓Us：

其中，UDo為輸出二極管 Do管壓降。

變壓器一次側(cè)電壓Up（變壓器漏抗和諧振電抗之和按10%激磁電抗考慮）：

變壓器匝數(shù)比N：

3.2 激磁電感 Lm與諧振電感Lk

根據(jù)能量守恒法，激磁電感Lm中流過(guò)的電流等于變壓器原邊電流 Ip，則：

式中 Is為變壓器副邊電流。

3.3 箝位電容Cc與主功率管結(jié)電容 Cr

箝位電容Cc的取值原則：Cc與Lk的半個(gè)諧振周期應(yīng)大于主功率管Q1截止時(shí)間，即：

為了使主功率管Q1實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，要求諧振電感Lk與主功率管結(jié)電容Cr諧振周期的四分之一大于或等于輔助功率管Q2關(guān)斷時(shí)間與主功率管Q1開(kāi)通時(shí)間的時(shí)間間隔 Td，即：

3.4 輸出濾波電容Co

其中，ΔUo為輸出電壓紋波。

4 仿真驗(yàn)證

Saber是美國(guó)Analogy公司開(kāi)發(fā)的一款功能強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真軟件，兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真。本文在分析有源箝位反激變換器工作原理的基礎(chǔ)上，使用Saber軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。鑒于本文僅對(duì)有源箝位反激變換器主拓?fù)潆娐愤M(jìn)行分析研究，所以為了敘述簡(jiǎn)單，僅搭建了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制電路，但不影響對(duì)電路特性的分析和判斷。

主電路設(shè)計(jì)參數(shù)如下：Lm=253 μH，Cc=360 nF，Cr= 16 nF，Co=140 μF，L=9.6 μF，Rz=4.8 Ω。

基于Saber分別對(duì)反激電路和有源箝位反激電路進(jìn)行仿真。反激電路的仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以得知：主功率管Q1承受的電壓應(yīng)力較大，最大值為Vds_Q1=698 V。主功率管Q1不是零電壓開(kāi)通，其漏源極電壓的尖峰很大而且高頻振蕩比較嚴(yán)重。主功率管Q1的瞬時(shí)損耗為 Ploss_Q1=98 W。

圖4 反激電路主功率管Q1仿真波形圖

有源箝位反激電路仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5中可以得知：相比于反激電路，有源箝位反激電路中，變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰被消除了，功率管電壓應(yīng)力明顯降低。最大值為 Vds_Q1=570 V。主功率管 Q1的瞬時(shí)損耗為 Ploss_Q1=1.84 W，而且主開(kāi)關(guān) Q1實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，主功率管損耗明顯降低。

圖6顯示： 輔助功率管 Q2的瞬時(shí)損耗為 Ploss_Q2= 2.54 W。輔助功率管 Q2也實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通（ZVS）。

圖5 有源箝位反激主功率管Q1仿真波形圖

圖6 有源箝位反激輔助功率管Q2仿真波形圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)有源箝位反激電路工作過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)了該電路關(guān)鍵器件的參數(shù)，最后通過(guò)Saber軟件進(jìn)行仿真比較并驗(yàn)證分析結(jié)果，仿真結(jié)果表明：針對(duì)傳統(tǒng)反激變換器存在的缺點(diǎn)，把有源箝位技術(shù)應(yīng)用于反激變換器中，可以實(shí)現(xiàn)功率管的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）；抑制功率管的電壓尖峰,在 375 V的直流供電回路中，主功率管 Q1漏源級(jí)電壓降低了 128 V，主功率管Q1的瞬時(shí)損耗降低了96.16 W。仿真結(jié)果與分析結(jié)果一致：有源箝位技術(shù)可以降低反激變換器的損耗，提高反激變換器的效率。參考文獻(xiàn)

[1]LI R T H，CHUNG S H.A passive lossless snubber cell with minimum stress and wide soft-switching range[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(7)：1725-1738.

[2]SPIAZZI G，MATTAVELLI P，COSTABEBER A.High stepup ratio flyback converter with active clamp and voltage multiplier[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(11)：3205-3214.

[3]張?zhí)m紅.電流控制型反激變換器分析與研究[J].電力電子技術(shù)，2001，35(3)：11-13.

[4]鄒賢，趙新龍，魯文其.不同模式下反激式開(kāi)關(guān)電源的分析[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，31(1)：59-64.

[5]劉婷.高效單端反激式變換器的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2011.

[6]MURTHY-BELLUR D，KAZIMIERCZUK M K.Active-clamp ZVS two-switch flyback converter[J].Circuits&SystemsIEEE International Symposium on，2011，19(5)：241-244.

[7]冉巖，宋蕙慧，曲延濱.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量成型控制策略研究[J].電測(cè)與儀表，2014，52(2)：36-39.

[8]張麗，方宇，趙齊齊，等.有源鉗位反激式光伏并網(wǎng)微逆變器的效率分析[J].電測(cè)與儀表，2015，52(2)：43-48.

[9]黃秀成.非互補(bǔ)有源箝位反激變流器的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

Design and simulation of active clamp flyback circuit by Saber

Li Zhijun，Qin Xiaoxue，Zhang Xuantao，Liu Hanzheng，Liu Shuang
(Hebei University of Technology，Control Science and Engineering Academy，Tianjin 300130，China)

This paper sketches the circuit′s structure and principle of the flyback converter,and aimed at the existing problems,it puts forward the active clamp flyback circuit.Also,its working process is analyzed and discussed.On that basis,it has designed the parameters of the key devices in the active clamp flyback circuit.Finally,it builds the simulation model based on the Saber software to verify the analysis results.The simulation results show that if we introduce the active clamp circuit,it can not only make full use of the energy transmission loss caused by the leakage inductance of isolation transformer,but also can make the main and auxiliary power switch devices realize the ZVS,and it effectively reduces the voltage stress and switching loss of power switch devices.At last it further enhances the efficiency and reliability of the converter.

flyback converter；switch loss；active clamp；simulation

TP391.9

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.039

李志軍，秦曉雪，張軒濤，等.基于 Saber的有源箝位反激電路設(shè)計(jì)與仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (3)：141-143，150.

英文引用格式：Li Zhijun，Qin Xiaoxue，Zhang Xuantao，et al.Design and simulation of active clamp flyback circuit by Saber[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(3)：141-143，150.

2015-09-08)

李志軍（1964-），男，博士，正高工，主要研究方向：綠色能源轉(zhuǎn)換及控制技術(shù)。

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（15212105D）

秦曉雪（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：綠色能源轉(zhuǎn)換及控制技術(shù)。