基于有源箝位反激拓撲的高效DC/DC變換器研究

李媛媛+王毅+劉林+劉金鵬

摘要：本文介紹了有源箝位軟開關技術在高效DC/DC變換器設計中的技術方案，分析了有源箝位反激拓撲電路的原理，并通過一款Sw的DC/DC變換器仿真和電路實驗結果的比對，驗證了有源箝位反激拓撲電路對于提高效率是非常有效的。

【關鍵詞】有源箝位 反激拓撲 高效率

1 引言

隨著電子設備不斷小型化發展，要求供電電源的體積隨之小型化，電源體積的減小意味著散熱能力的變差，因而要求電源的功耗變小，即在輸出功率不變的前提下，效率必須提高。特別是開關電源在航空航天技術上的應用與發展，對高效、小型化電源的需求十分迫切。提高開關電源的功率密度和電源轉換效率，使之小型化、輕量化是人們不斷努力追求的目標。高頻化、軟開關技術作為電源小型化的主要技術手段之一，近年來是國際電力電子界研究的熱點之一。

本文介紹一種Sw功率雙路輸出的高效率、高功率密度DC/DC變換器的設計方案，通過有源箝位反激拓撲結構，在保證產品體積做小的同時，實現了76%的較高轉換效率。此外，該DC/DC變換器還具有短路保護、欠壓保護、軟啟動、禁止控制等多項輔助功能。

2 有源箝位反激變換器原理及分析

有源箝位反激變換器電路拓撲及原理波形，分別如圖1、圖2所示。

變壓器用勵磁電感Lm、諧振電感Lr（包括變壓器漏感和外加小電感）和只有變比關系的理想變壓器T表示，Cr為等效電容，是兩個開關管Sl（主開關管）和S2（輔助開關管）等效寄生電容之和。穩態工作時，每個開關周期可分為九個工作時段，其工作過程為：

（1）當t=t0- tl：tO時，Sl開通，S2及其反并聯二極管D2與整流二極管D3均關斷，Lm與Lr線性充電，諧振電感電流i，。與勵磁電感電流iLm相等并在輸入電壓的作用下線性上升：

（2）當t=tl～t2：t1時，Sl、S2、D3均關斷，勵磁電感電流對Cr充電，電感Lr、Lm與Cr諧振：

（3）當t=t2-t3：t2時，S2反并聯二極管D2自然導通，因為Cc》Cr，電感Lr、Lm主要與Ce諧振：

（4）當t=t3-t4：t3時，D3導通，變壓器原邊電壓被箝位在u_pri（t）=-nU₀，諧振電感Lr和箝位電容Cc諧振，勵磁電感電流線性減小；

（5）當t=t4-t5：t4時，S2開通，其他電路狀態同t3-t4；

（6）當Ft5～t6： t5時，諧振電感電流i_Lr等于零，此后，i_Lr開始反向；

（7）當t=t6～t7： t6時，S2關斷，勵磁電感電流線性減小，負的諧振電感電流iLr將抽取寄生電容Cr上的能量，諧振電感Lr和寄生電容Cr諧振，諧振期問變壓器原邊電壓仍被箝位在-nU。；

（8）當t=t7-t8： t7時，寄生電容Cr的電壓諧振到零，S1的反并聯二極管DI導通，勵磁電流iLm線性減小，諧振電感電流iL。線性增加；

（9）當t=t8～tO： t8時，SI開通，勵磁電流iLm繼續線性減小，諧振電感電流iLr繼續線性增加，tO時，D3截止，該工作周期結束，進入下一工作周期。

通過以上工作過程分析可知，有源箝位反激變換器具有以下優點：

（1）箝位電容Ce將變壓器漏感中能量回饋到電源中，消除了變壓器漏感引起的關斷電壓尖峰及損耗，并且有效減小了功率開關管上的電壓應力；

（2）利用諧振電感和箝位電容、寄生電容諧振實現主、輔開關管的零電壓開通，降低了功率開關管的開關損耗，提高了效率。

為了實現主、輔開關管的零電壓開通（ZVS），需滿足的條件為：在Sl開通信號到來之前，諧振電感Lr將寄生電容Cr兩端電壓諧振到零；S2在諧振電流反向之前觸發導通。

3 5W功率DC/DC變換器設-l-

主要技術指標為：

（1）輸入直流電壓：14V～40V；

（2）輸出直流電壓：+5V；

（3）輸出電流：0.5A；

（4）輸出功率：5w；

（5）轉換效率：73%；

（6）電壓調整度：≤20mV；

（7）電流調整度：≤50mV；

（8）交叉調整度：≤220mV；

（9）輸出紋波電壓：≤50mV；

（10）開關頻率：400kHz～600kHz；

為了實現該技術指標，根據設計方案設計電路參數。

3.1 主要電路設計

3.1.1 有源箝位電路設計

有源箝位電路由PMOS管及其驅動電路和筘位電容構成，具體電路如圖3所示。

（1） PMOS管驅動電路一一電平移位。PMOS管驅動電平為負，脈寬調制器輸出的驅動AUX電平為正，電容C1、二極管V1、電阻R構成電平移位電路。當AUX為+V_AUX時，電容Cl、二極管Vl形成通路，Cl兩端電壓充至+V_AUX，PMOS管關斷；當AUX為O時，電容兩端電壓不可突變，PMOS管G級電平為-V_AUX，導通。此時電容Cl通過電阻R放電，當放電時問常數夠大時，在PMOS管導通時問內電容Cl兩端電壓基本維持在-V_AUX。

對于R和C1放電電路，電容C1兩端電壓為指數型下降。一個時問常數τ（τ=R×Cl）后，電容電壓下降至初值的36.8%.三四個τ后，可認為放電完成。取時問常數τ為開關周期的100倍，則PMOS管導通時問大約在1/200個時問常數（占空比作0.5）。可認為驅動電壓基本不變。

3.2 電路仿真與測試結果

3.2.1 仿真結果

采用Saber仿真軟件仿真得到的波形如圖5所示，分別為啟動電壓波形和28V輸入時功率開關管漏極電壓波形，輸出電壓沒有啟動過沖，功率開關管漏極電壓波形正常，因仿真原理圖中未采用有源箝位電路，功率開關管電壓應力比實際采用有源箝位的大。

3.2.2 測試結果

實測波形見圖6，從波形圖可以看出，輸出電壓沒有啟動過沖，主功率開關管漏極電壓波形平穩，沒有尖峰和振蕩。

實測結果與Interpoint公司相同功率等級雙路DC/DC變換器指標對比如表1所示。開關頻率500kHz，效率76.8%，實測結果達到設計目標，驗證了電路設計的合理性和有效性，本方案指標完全滿足Interpoint產品指標要求，并且輸入電壓范圍更寬、效率更高。

4 結論

本文簡要論證了有源箝位軟開關技術在高效DC/DC變換器中的應用方案，對有源箝位反激變換器的電路原理進行了分析；同時，設計了一款5w高效DC/DC變換器，通過電路仿真和實測技術指標的比對，驗證了該設計方案是合理有效的。綜上，在高效DC/DC變換器設計中，采用有源筘位軟開關技術是非常可取的一種技術方案，特別是對于輸出低壓大電流的DC/DC變換器設計，同時配以同步整流技術，可大大提高電源效率。

參考文獻

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[2]張占松蔡宣三，開關電源的原理與設計（修訂版）[M].電子工業出版社，1998.

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