有源钳位电路主管不能实现零电压原因分析与解决方案

何 玲

(广东水利电力职业技术学院，广东 广州510925)

随着电力电子器件开关频率的不断提高，促使开关电源的频率不断提高，小功率DC-DC 变换器的开关电源频率已经可以实现1 MHz 以上，DC-DC 变换器由于载质量、体积、用铁、用铜以及能耗等方面都比线形稳压电源有显著的减少，并且稳压性能良好[1]。近年来，随着DC-DC变换器高密度、低压输出需求的增加，促进开关电源变换软开关技术的迅速发展，其中有源钳位技术是目前隔离式DC-DC 变换器中最为常见的一种软开关方式[2]。虽然现有技术表明软开关未必能降低块开关整流器的EMI 水平，但采用软开关技术可把变换器的效率大为提高，从而大大提高了变换器的功率密度[3]。目前，这一技术有一个制约效率提高的因素，即主开关管电压不能实现零电压开通，下面以升压式钳位电路为例进行说明[4]。

图1 升压式钳位电路

1 升压式有源钳位电路的分析

图1为通常采用的零电压开关正激电路[5]。为方便分析，将主变压器分解为励磁电感与一个理想变压器的并联，Lm为变压器的励磁电感，T1为一理想变压器，VT1为主开关管，VT2为辅助钳位开关管，C2为辅助回路的储能电容。VD1，VD2为输出整流、续流二极管，它们与L1、C1共同组成输出整流滤波回路。

假设Ip为流入主变压器的原边电流，它可分解为两部分：I1为流入理想变压器原边的电流，IM为流过励磁电感的电流。具体工作原理分析，假定变压器的变比为1:1，L1上的电流连续，VOUT=VIN/3（VIN为输入电压），其工作波形如图2所示。

具体分四个步骤，即：

(1)VT1导通，能量传递到负载。VT1导通前，VT2关断，钳位电容C2上电压VC2=VIN/（1-D），极性上正下负，VT2关断，其体二极管反偏截止，无钳位电容电流。VT1导通后，VT1漏极电压降为0，钳位电路仍然关断，C2压降保持不变，主变压器正向激磁，VP=VIN，输入电源能量经变压器传递到负载；

(2)VT2电压谐振过渡到0。VT1关断，VT2及其体二极管仍关断，VT1输出电容被充电到（VIN+VC2）时，VT2体二极管正向偏置导通，提供VT2的ZVS（零电压开关管）开通条件，同时VT1管压降被钳位于（VIN+VC2），C2压降不变；

(3)VT2导通，钳位电路工作。此时VT2经ZVS开通，VT1关断，变压器与C2进行能量转换，实现磁复位过程，期间主开关管电压仍被钳位于（VIN+VC2）；

(4)VT1电压谐振过渡到0。VT1、VT2关断，磁场能量使VT1接电容放电，VT1漏极电压下降趋向0，提供VT1的ZVS 条件，此时VT2体二极管随之反偏关断，钳位电路断开，整个电路进入下一个工作周期。

但实际上，如果不采取特殊措施，尽管在VT2关断、VT1开通之间加入了一个死区时间，步骤4中VT1实现ZVS 几乎是不可能的。原因在于当VT1的漏源电压VDS减小到VIN后，变压器的原边电压为正、副边电压也为正，使VD1导通，VD2截止，在输出滤波电感L1的作用下，使I1由零变成了IVD1，钳位电容的电流IC2由IM变成了IM+I1，使ICS变小，从而减慢了VDS的下降速度，使VT1的零电压开通变得困难。而且，如果IVD1大于IM，IC2会反向变成正向，即给电容C2放电变成充电，这样VDS就不可能变成零。

实际由于IM通常很小，IC2一般都会大于IM，这种电路很难实现VT1的零电压开通，一般当VDS略小于VIN时VT1开通，如图2虚线所示。反激式有源钳位电路的分析与以上分析相类似。

2 解决方案

图2 一个开关周期电路主要参量波形

由以上分析可知主管之所以不能实现零电压开关，是由于副边钳位作用的结果，由于整流管VT1在不希望导通时导通了。基于这种分析，我们根据整流电路的不同采用相应的解决方案。

解决方案一，如果整流电路采用整流二极管，如图1所示，可以在整流二极管VD1的阳极串联饱和电感，这样即使变压器副边已经存在正向电压，因为饱和电感的存在，VD1延时导通，在这段时间内，主开关管电压下降到零，从而实现了ZVS。但该方案在饱和电感上损耗一定的能量，仅降低了主开关管的开通应力，效率提高不明显。

解决方案二，如果在低压输出的场合，输出采用同步整流电路如图3所示，可以采用如下方案。

图3 采用同步整流的升压式钳位电路

（1）可以在输出整流管VT4的驱动DRV3上串联稳压二极管，这样当主开关管VT1上的电压降到零前，副边的感应电压不足以打开VT4，零电压开通。通过选择稳压二极管的稳压值可以得到理想的输入电压——效率曲线。

（2）调整驱动电路的时序，延时开通VT4。同时，也可以把VT4的关断时间从主开关管关断后变成关断前，这么做的优点是减小了主管的关断应力，因为VT4关断后，变压器原边电流I1变成零，通过主管的电流仅是励磁电流IM，从而大大减小主管VT1的关断损耗。

3 结 论

本设计以升压式有源钳位电路为例，针对有源钳位电路中主开关管不能实现零电压开通的原因进行了详细的分析，并提出了两种相应的有效解决方案，解决了有源钳位电路不能实现零电压的故障，降低有源钳位电路开关管的损耗和功耗，改善有源钳位电路开关管的稳定性，提高开关电源的效率和寿命。

[1]Abraham I.Pressman，Keuth Billings，Taylor Morey 著，王志强，肖文勋，虞龙等译.开关电源设计（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]赵瑞杰，陶学军，田素立等.新型有源钳位正激软开关变换器的研究[J].电子技术应用，2011，37(11)：73-75.

[3]陶渊.基于正激变换器的有源钳位技术[J].计算机工程，2008，34(9)：165-168.

[4]包跃华.有源钳位正激变换器双环小信号建模分析[J].电源世界，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.