有源鉗位正激變換器的功率損耗分析

摘要：本文詳細闡述了有源鉗位正激變換器的工作原理，分析了各工作模態(tài)的功率損耗，得出了功率損耗與勵磁電感間的關(guān)系。經(jīng)理論推導(dǎo)證明存在著一個最優(yōu)的勵磁電感值，可以使得變換器功率損耗最小，輸出效率最高。 敘詞：有源鉗位 功率損耗 勵磁電感 最優(yōu)的 Abstract：This paper represents the operations of active-clamp forward converter in detail. By analyzing the power dissipation of each operation state, the relationship between the power dissipation and the magnetizing inductance of the isolation transformer is got. It is verified theoretically that there is a non-infinite but optimal magnetizing inductance for the least dissipation and highest output efficiency of the converter. Keyword：active-clamp power dissipation magnetizing inductance optimal
1.概述
當前，市場對高功率密度、低壓/大電流DC-DC模塊電源的需求與日俱增。由此推動了其相關(guān)技術(shù)的研究與發(fā)展。在適合低壓/大電流應(yīng)用的DC-DC變換器拓撲中，常用的有基本的BUCK或同步整流BUCK拓撲。但是由于BUCK變換器的占空比D很小，如果要求輸出電壓低于1V，而一般的分布式電源系統(tǒng)（DPS）的母線電壓為12V 或48V,這樣占空比將小于10％，表明有效的功率轉(zhuǎn)換只發(fā)生在整個工作周期的10%時間內(nèi)，其余90%時間里負載靠輸出大電容提供能量，使得變換器的效率降低。采用反激變換器或正激變換器拓撲，可以增大占空比，提高效率。但反激變換器，在其反饋環(huán)路分析中，帶有氣隙的變壓器電感會在右半平面有個零點，這就使得連續(xù)模式（CCM）下的閉環(huán)補償十分困難。另外，由于二次側(cè)沒有輸出低通濾波器，所以需要一個較大的電容。與反激變換器相比較，正激變換器輸出側(cè)雖然多一個電感，但這降低了對輸出電容的要求，其構(gòu)成的LC濾波器非常適合輸出大電流，可以有效的抑制輸出電壓紋波，所以正激變換器成為低壓大電流功率變換器的首選拓撲。
然而，正激變換器的一個固有缺點是功率開關(guān)管截止期間變壓器必須磁復(fù)位。為了在較高頻率下獲得較高效率，采用有源鉗位復(fù)位方法。與傳統(tǒng)的復(fù)位方法比較，有源鉗位復(fù)位電路提供了變壓器的磁通復(fù)位路徑，因而不需要復(fù)位繞組或是有能量損耗的RCD復(fù)位電路。不僅使變壓器結(jié)構(gòu)簡化，而且提高了變換器的效率。
如何提高效率是我們一直努力的目標，本文將在已選的拓撲上，通過分析變換器的功率損耗，得出在一定的磁鏈的關(guān)系下，選擇一個最優(yōu)的勵磁電感，可以使變換器的損耗最小，從而進一步提高效率。

2.工作原理

圖1　 有源鉗位正激變換器拓撲

fig1.active-clamp forward converter

　　為方便分析，二次側(cè)的二極管看成是理想的，僅考慮有源開關(guān)S1的體二極管，其他寄生參數(shù)忽略。圖1為正激變換器的有源鉗位拓撲，圖中變壓器等效為勵磁電感 ,漏感 和匝數(shù)比為n=N1/N2的理想變壓器。圖2給出了主開關(guān)S1和輔助開關(guān)S2的驅(qū)動信號。下面把一個開關(guān)周期分為四個模態(tài)進行分析。

圖2　開關(guān)S1和S2的驅(qū)動信號

fig2.　The driving signal of S 1 and S2

　　開關(guān)模態(tài)1(圖3)

圖3　模態(tài)1等效電路

fig3. The circuit operation in state 1

　　主開關(guān)S1在t0時刻導(dǎo)通，鉗位開關(guān)S2斷開，變壓器初級線圈受到輸入電壓Vi作用，勵磁電流線性增加，初級側(cè)流過電流i1。二次側(cè)D1導(dǎo)通，D2截止，電感電流 流經(jīng)二次側(cè)，功率通過變壓器傳輸?shù)蕉蝹?cè)。