有源鉗位電路主管不能實現零電壓原因分析與解決方案

何 玲

(廣東水利電力職業技術學院，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可以實現1 MHz 以上，DC-DC 變換器由于載質量、體積、用鐵、用銅以及能耗等方面都比線形穩壓電源有顯著的減少，并且穩壓性能良好[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，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，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ZVS開通，VT1關斷，變壓器與C2進行能量轉換，實現磁復位過程，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時間，步驟4中VT1實現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。基于這種分析，我們根據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的陽極串聯飽和電感，這樣即使變壓器副邊已經存在正向電壓，因為飽和電感的存在，VD1延時導通，在這段時間內，主開關管電壓下降到零，從而實現了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上串聯穩壓二極管，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。通過選擇穩壓二極管的穩壓值可以得到理想的輸入電壓——效率曲線。

（2）調整驅動電路的時序，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，Fred 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.