优化DC/DC有源钳位正反激式组合变换电路

有源钳位可以应用在各种变换形式的开关电源电路中，还可以用在正反激式组合变换电路中。虽然这种正反激式组合变换电路的输入、输出相位相差180°，但经过转换，性能却很好，实现了零电压导通、零电流关断，而且输出电路采用推挽式全波整流，损耗小，效率高。

图6-15 有源钳位ZVS-PWM正反激式组合变换电路原理图

从图6-15可以看出，TR₁和TR₂的一次侧串联，二次绕组串联后，由中心抽头输出电压。钳位电路由钳位电容C_C和钳位开关VT₂组成。两只变压器的一次绕组串联，用作谐波振荡电感。变压器的二次侧串联后分别向负载供电，输出相位相差180°，因此，不需要再接续流二极管和滤波电感，输出纹波电压小。VT₁是变换电路的主开关，二极管VD₁、VD2分别为VT₁、VT₂的寄生反向并联二极管，C₁、C₂为VT₁、VT₂的输出电容，用于缩短两只开关管传送脉冲期间所需要的储存时间，并兼有保护作用。抑制电路用于抑制高频条件下产生的寄生振荡，还对开关管起保护作用。VD₃、VD₄分别为正、反激变换电路输出电路整流二极管，它们分别与VT₃、VT₄并联，使整流输出阻抗降低，提高了整流效率。

图6-16示出了正反激式组合变换电路各参数波形，主要参量有：开关管VT₁、VT₂的控制信号V_g1、Vg2，开关管的工作电压V_DS1、V_DS2，工作电流I_r1、I_r2，变压器一次输入电流I_P，两只变压器的励磁电流I_m1和I_m2。该电路在一个周期内的运行状况如表6-3所示。

VT₁、VT₂分别为电路的主、辅开关晶体管，VT₁的导通时间与周期T的比值为占空比D。在主开关晶体管截止期间，变压器励磁电流通过辅助开关晶体管VT₂使变压器励磁恢复。在死区期间，主开关晶体管在变压器励磁电流的作用下，对晶体管与二次寄生电容进行充放电。VT₂实现ZVS的条件是：变压器的漏感存储的电能必须大于电容C_C的储能，变压器漏感储能的大小与变压器的漏感有关，也与负载的大小有关。而电路主开关VT₁实现ZVS的条件是：VT₁、VT₂同时处于截止状态，电容C₁充电，C₂放电，负载电能由反、正激变换电路共同提供。这时只要VD₁导通，VT₁就零电压导通，ZVS-PWM正反激组合式变换得到实现，即零电压闭合的软开关形式。

图6-16 有源钳位ZVS-PWM正反激式组合变换电路波形图

表6-3 DC/DC有源钳位ZVS-PWM正反激式组合变换电路一个周期的运行状况

（续）

有源钳位ZVS-PWM正反激式组合变换电路在一个周期里的工作状况如下：

1）阶段1：主开关VT₁导通，钳位开关VT₂关断，正激式变换电路工作，电能通过变压器TR₁传送到负载上，电压极性为下正上负。钳位电容电压，V_DS1=0，V_DS2=V_S+V_C，激磁电流I_m1上升并由负变正，I_m2也上升。

2）阶段2：VT₁、VT₂均关断，电流I_r1下降到零，C₁被线性充电，主开关VT₁的工作电压V_DS1从零上升到V_S；C₂对变压器放电，钳位开关VT₂的电压V_DS2开始从V_S+V_C下降，VD₄仍截止，电能由变压器TR₁传送到负载，励磁电流I_m1继续上升，I_m2缓慢上升。高频变压器电感电流I_P上升到最大值。

3）阶段3：变压器漏感L与开关输出电容C₁、C₂、C_C发生谐振，振荡频率，其中C=C₁+C₂+C_C。C₁开始充电，V_DS1按指数规律上升到V_S+V_C；C₂放电，V_DS2从V_C按指数规律下降到零，给VT₂的ZVS创造了条件。这时V_DS2=0，VD₂导通，使VT₂上的电压为零，I_m1继续上升，I_m2、I_P开始下降，变压器感应电压开始变负，VD₄导通，两个变换电路同时向负载提供电能。

4）阶段4：由于VD₂导通，VT₂零电压导通，激励电流I_m1继续上升，I_m2下降，VD₄仍导通，两个变换电路仍在向负载供电，但供电电流减小。

5）阶段5：钳位电路运行，主开关电压被钳位在V_DS1=V_S+V_C，激励电流I_m1下降，高频变压器感应电压反向，VD₃截止。I_m2继续下降，VD₄仍导通，变压器开始储存电能。

6）阶段6：电容C₁放电，C₂充电，V_DS1由V_S+V_C开始下降，V_DS2则由零上升到V_C，I_m2继续下降，使VD₄导通，反激式变换电路向负载提供电能。(www.xing528.com)

7）阶段7：电感L与电容谐振，钳位开关VT₂的电压V_DS2由V_C上升到V_S+V_C；主开关VT₁的电压V_DS1则由V_S下降到零，I_m1上升，高频变压器的感应电压为正，使得VD₃导通，I_m2继续下降，VD₄仍导通，负载能量由正、反激式变换电路提供。V_DS1=0，VD₁导通，实现VT₁零电压导通的条件。

8）阶段8：VT₁零电压导通，VT₂关断，I_m1上升，I_m2下降，反激式变换电路为负载提供电能。V_DS1=0，V_DS2=V_S+V_C，开始下一个周期。DC/DC有源钳位正反激式组合变换电路实现了ZVS，开关损耗大大减少，效率极大提高，输入电压范围、负载变动范围加宽，为开发大功率、低损耗开关电源提供了强大的动力。

输出电压V_o为

V_o=V_SD/n

式中，n为变压器匝比，即n=N_P/N_S；D为占空比。

根据变压器与占空比乘积的关系，则有

V_SD=V_C（1-D）

钳位电容C_C的端电压为

V_C=V_SD/（1-D）

主开关晶体管上的电压为

V_DS1=V_S+V_C

这时输出整流MOS管VT₃、VT₄的电压为

V_DS3=V_S/n；V_DS4=V_C/n

磁化电感L_m也是变压器一次电感L_P和漏感L_P′之和，电感量的大小取决于CCM/DCM工作模式，即。这里η为变换电路的效率，P_o（min）为变换电路的最低输出功率。

高频变压器TR₁和TR₂为相同规格的变压器，它们的匝数、线径、磁心结构完全一样，只是绕制方式有点不同（一个采用反激式绕法，另一个采用正激式绕法）。这种组合变换电路采用钳位技术，在任何不规律输入电压或负载电流大幅变化的条件下，开关电源输出电压呈线性变化，开关管的导通电阻很小。该电路采用了有源钳位方式，输出整流采用推挽式全波整流二极管与MOS管相并联的结合方式，电路的各项技术性能都能达到非常高的水准。但是必须看到，谐振变换电路必须采用主、辅两只开关晶体管，与同类变换电路相比，驱动电路的损耗是其2倍。同样，输出整流电路也比正常的输出整流电路多了两只MOS晶体管。虽然电路免除了续流二极管和滤波电感，但整体价格还是比较高的。另外，采用推挽式整流方式，用MOS驱动的损耗随频率增高而增大，虽损耗不是很大，但从整个效率来看还是不合算，有待进一步完善设计方案。

有源钳位正反激式组合变换电路的主要特点是，主开关和钳位开关都实现了ZVS，使开关损耗减少，电路效率提高。由于采用了钳位技术，输入电压的范围得以扩大。有源钳位正反激式组合变换电路的开关管可以选用耐压较低的MOS管，可以减小开关的导通电阻，这样MOS管的损耗也将降低。当电路采用推挽式整流二极管和MOS管并联电路时，不但电路输出电压的纹波电流降低了，电路效率也提高到95%。

有源钳位正反激式组合变换电路还具有扩展性强的特点。电路本身是正激式和反激式两种开关电源的变换形式，兼有两种变换的优点。这种变换电路的电源输出功率可以从100W做到500W，而电源的效率、功率因数、谐波含量可达到较高的水平，是一般电源所不可比拟的。